Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki ... · Badanie elementów składowych...
Transcript of Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki ... · Badanie elementów składowych...
1
Wydział Elektroniki
Mikrosystemoacutew i Fotoniki
Politechniki Wrocławskiej
STUDIA DZIENNE
Ćwiczenie nr 13
Badanie elementoacutew składowych monolitycznych
układoacutew scalonych - I
I Zagadnienia do samodzielnego przygotowania
- podstawowe pojęcia dotyczące celowości i efektoacutew scalania układoacutew skali integracji
gęstości upakowania układoacutew
- klasyfikacja układoacutew scalonych technologie dziedziny zastosowań
- procesy technologiczne stosowane do wytwarzania monolitycznych
układoacutew scalonych
- konstrukcja i realizacja elementoacutew czynnych ( tranzystory npn oraz pnp diody)
i biernych ( rezystory kondensatory ) w monolitycznych układach scalonych
- wyznaczenie koncentracji domieszek i ruchliwości nośnikoacutew z wykresoacutew
- wyznaczanie parametroacutew rzeczywistego złącza p-n
II Program zajęć
- pomiary i obliczenia parametroacutew izolacji złączowej w monolitycznym układzie
scalonym UL 1111 N oszacowanie wartości rezystancji izolacji wyspy wyznaczenie
wartości rezystancji podłoża obliczenie wartości pojemności złącza wyspa-podłoże
- analiza topologii i struktury wewnętrznej układu scalonego
III Literatura
1 Notatki z wykładu
2 W Marciniak - Przyrządy poacutełprzewodnikowe i układy scalone
3 B W Wilamowski - Układy scalone WKiŁ 1989
4 R Ćwirko M Rusek W Marciniak - Układy scalone w pytaniach i odpowiedziach
WNT 1987
5 Z Kulka M Nadachowski - Liniowe układy scalone i ich zastosowania
WKŁ 1974 i wyd poacuteźniejsze
Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ przepisoacutew BHP związanych z obsługą
urządzeń elektrycznych
LABORATORIUMPRZYRZĄDOacuteW POacuteŁPRZEWODNIKOWYCH
2
1 Wiadomości wstępne
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z krzemowymi układami scalonymi wykonanymi
w technologii bipolarnej z izolacją złączową (dyfuzyjną) Schemat elektryczny układu
UL 1111N wraz z oznaczeniem wyprowadzeń przedstawia rys 1 Parametry elektryczne
układu zamieszczono w instrukcji do Ćw nr 14
Rys 1 Schemat elektryczny układu UL 1111N
Układ ten składa się z pięciu tranzystoroacutew bipolarnych typu npn wykonanych w tym
samym cyklu procesoacutew technologicznych obroacutebki płytki krzemowej Każdy z tranzystoroacutew
ma swoacutej kolektor wykonany w izolowanej bdquowyspierdquo krzemu typu-n bdquozanurzonejrdquo w krzemie
typu-p (patrz rys2) Właśnie to złącze p-n pomiędzy podłożem a bdquowyspąrdquo w warunkach
polaryzacji zaporowej przewodzi bardzo niewielki prąd i dzięki temu stanowi niezłą
izolację elektryczną pomiędzy elementami (tranzystory rezystory) wytworzonymi w
jednym czipie układowym W układzie UL1111 tranzystory (T4 i T5) są indywidualnymi
elementami izolowanymi między sobą Dwa tranzystory (T1 i T3) są izolowane od
pozostałych ale mają wspoacutelny emiter Jest to tzw para roacuteżnicowa stosowana w układzie
wzmacniacza roacuteżnicowego ktoacutery z kolei jest podstawowym układem wzmacniacza
operacyjnego Natomiast tranzystor T2 odizolowany od pozostałych ma emiter połączony
galwanicznie z podłożem typu-p ktoacutere jest wspoacutelną anodą złącza p-n stanowiącego izolację
złączową Ze względu na warunek polaryzacji zaporowej podłoże (S) zacisk 13 zawsze ma
najniższy potencjał (przyłożone napięcie) ze wszystkich możliwych w układzie Stąd też
emiter T2 będzie posiadał także taki potencjał Jest to najczęściej niższy biegun zasilacza
W pierwszej części ćwiczenia zadaniem ćwiczących jest ocena jakości izolacji
złączowej układu scalonego na podstawie obliczeń i pomiaroacutew charakterystyki prądowo-
napięciowej złącza p-n podłoże-wyspa
W drugiej części zajęć ćwiczący mają za zadanie dokonać analizy topologicznej układu
scalonego na podstawie zdjęcia i schematu układu otrzymanego od prowadzącego zajęcia
3
2 Obliczanie parametroacutew izolacji
Celem ćwiczenia jest zbadanie parametroacutew monolitycznego układu scalonego
wykonanego w technologii bipolarnej z zastosowaniem izolacji złączowej (dyfuzyjną) jako
izolacji oddzielającej poszczegoacutelne elementy składowe układu z wykorzystaniem układu
UL 1111N Uproszczony poacutełprzekroacutej struktur tranzystorowych w monolitycznym układzie
scalonym przedstawiono na rys2 W podłożu krzemowym typu-p z nałożoną uprzednio
warstwą epitaksjalną typu-n dokonano podziału tej warstwy na szereg indywidualnych
bdquowysprdquo typu-n oddzielonych od siebie obszarami typu-p+ stosując proces dyfuzji domieszek
akceptorowych (np atomoacutew boru) Wyspy stanowią obszar kolektoroacutew tranzystoroacutew typu
npn W kolejnych procesach technologicznych utworzono w wyspach za pomocą
domieszkowania obszary bazy (typ-p) i emitera (typ-n+) tych tranzystoroacutew Na rysunku nie
pokazano izolacji tlenkowej (warstwy SiO2) metalicznych kontaktoacutew i ścieżek połączeń aby
nie zaciemniać obrazu
Rys2 Poacutełprzekroacutej struktur tranzystorowych npn w podłożu typu-p układu monolitycznego
Celem pomiaroacutew i obliczeń jest określenie wartości elementoacutew układu zastępczego
izolacji złączowej (wyspa typu-n - podłoże typu-p) pokazanego na rys3
C Ri
Rp
Podłoże
Wyspa
C - pojemność złącza p-n wyspa - podłoże
Ri - rezystancja izolacji wyspy (upływ złącza)
Rp - rezystancja podłoża (szeregowa
rezystancja złącza wyspa-podłoże)
Rys3 Układ zastępczy izolacji złączowej
4
Rezystancja izolacji wyspy Ri oraz pojemność pasożytnicza izolacji C decydują
o możliwościach pracy układu w zakresie wysokich częstotliwości i ograniczają pasmo
przenoszenia układu Wielkości te można obliczyć znając parametry materiałowe
odpowiednich warstw poacutełprzewodnikowych w ktoacuterych wykonano elementy układu
scalonego Natomiast rezystancję podłoża Rp można oszacować przez pomiar charakterystyki
prądowo-napięciowej złącza p-n podłoże-wyspa i wyznaczenie rezystancji szeregowej tego
złącza
Do obliczeń przyjmujemy że wyspa w badanym układzie scalonym jest warstwą
epitaksjalną typu-n o rezystywności =5 cm na podłożu typu-p o rezystywności =20 cm
Wyspa posiada kształt i wymiary jak pokazano na rys4
Rys 4 Wymiary i rezystywności wyspy o izolacji złączowej w badanym układzie scalonym
W celu wyznaczenia rezystancji Ri i pojemności C można skorzystać z zależności
rezystywności poacutełprzewodnika od koncentracji nośnikoacutew (tzw krzywa Irvinga)
przedstawionej na rys5 oraz zmian ruchliwości nośnikoacutew w funkcji koncentracji nośnikoacutew
w krzemie przedstawionej na rys6 Korzystając z tych wykresoacutew wyznaczamy i zapisujemy
w sprawozdaniu wartości koncentracji nośnikoacutew
Nd=helliphelliphelliphelliphellip dla Sin(=5cm) (1)
Na=helliphelliphelliphelliphellip dla Sip(=20cm) (2)
Wartościom koncentracji domieszek Na Nd odpowiadają ruchliwości n i p nośnikoacutew
większościowych i mniejszościowych
n=helliphelliphellip dla Nd (1) (3)
p=helliphelliphelliphellipdla Na (2) (4)
W celu obliczenia parametroacutew układu zastępczego wyspy w układzie scalonym UL 1111N
konieczna jest znajomość następujących wartości stałych fizycznych i materiałowych
ładunek elementarny q = 160210-19
C
stała Boltzmanna k = 861610-5
eVK
5
przenikalność elektryczna proacuteżni o = 88510-12
Fm
względna przenikalność elektryczna krzemu Si = 12
koncentracja nośnikoacutew samoistnych w Si ni = 151010
cm-3
(w temp 300K)
średnia droga dyfuzji dziur elektronoacutew Lp = Ln = 310-2
cm
do zapamiętania kTq = 26 mV dla T = 300 K
Rys 5 Rezystywność w funkcji koncentracji domieszek Na i Nd
w krzemie w temperaturze T = 300 K
1015
1014
1017
1018
1019
1020
1013
1016
0
Koncentracja domieszek [cm ] (Si-n)-3
[cm
(Vs)
]2
-1
n
200
400
600
800
1000
1200
1400
p
Ruc
hliw
ość
nośn
ikoacutew
Rys 6 Ruchliwości nośnikoacutew większościowych i mniejszościowych w krzemie typu-n
6
21 Oszacowanie rezystancji izolacji wyspy Ri
Powierzchnia złącza S wynosi
ybocznawyspdnawyspy SSS (obliczyć) (5)
Prąd I płynący przez złącze przy polaryzacji w kierunku zaporowym (izolacja złączowa)
jest sumą prądu nasycenia Is oraz prądu generacji Ig
gs III (6)
gdzie Is wyraża się wzorem
an
n
dp
p
isNL
D
NL
DnqSI 2 (7)
a ponieważ składnik dp
p
NL
D jest około pięciokrotnie mniejszy od
an
n
NL
D to wyrażenie
na wartość Is można uprościć do postaci
an
nis
NL
DnqSI 2 (8)
przy czym Dn= nkTq [cm2s] jest stałą dyfuzji elektronoacutew (proporcjonalną do ruchliwości)
Stosunek IgIs zależy od koncentracji nośnikoacutew samoistnych ni a więc od szerokości
pasma zabronionego i dla typowych parametroacutew materiałowych w złączach p-n wykonanych
z krzemu
Ig 3000 Is Ig =
Znając wartość prądu płynącego przez złącze można zatem oszacować wartość Ri przy
założonym napięciu polaryzacji zaporowej UR = 10V
g
iI
UR (9)
22 Obliczanie pojemności wyspa-podłoże
Pojemność wyspy C układu UL 1111N należy obliczyć ze wzoru na pojemność kondensatora
płaskiego ktoacutery jest dobrym przybliżeniem pojemności złącza p-n
d
SC Si 0
(10)
gdzie S ndash jest powierzchnią złącza
d ndash jest szerokością warstwy zaporowej złącza gdy bariera potencjału na złączu jest
roacutewna sumie napięcia dyfuzyjnego UD i zewnętrznego napięcia polaryzującego
złącze U
7
UUNN
NN
qd D
da
daSi
02
(11)
przy czym UDlt0 (przyjmujemy że wartość napięcia dyfuzyjnego UD = - 065 V)
Do wzoru podstawia się wartość U dla kierunku zaporowego ze znakiem -
Należy obliczyć wartości pojemności C dla polaryzacji U = 0 V oraz U = -10 V
23 Pomiar rezystancji podłoża Rp
Wartość rezystancji podłoża można wyznaczyć mierząc charakterystykę prądowo-
napięciową złącza wyspa-podłoże spolaryzowanego w kierunku przewodzenia Po wykonaniu
wykresu I=f(U) w układzie wspoacutełrzędnych lin-log należy wyznaczyć parametry rzeczywistego
złącza p-n rezystancję Rs prąd nasycenia Is i wspoacutełczynnik doskonałości złącza n
3 Konstrukcja elementoacutew składowych bipolarnych układoacutew scalonych
Planarna technologia krzemowa elementoacutew składowych monolitycznych układoacutew
scalonych bazuje na selektywnym wytwarzaniu w podłożu krzemowym odpowiednich
obszaroacutew Obszary te mogą roacuteżnić się typem przewodnictwa oraz poziomem
domieszkowania Wytworzone obszary mogą stanowić elementy bierne (rezystory
kondensatory) lub czynne (tranzystory diody) układu scalonego W typowych układach
bipolarnych podłożem wyjściowym jest płytka krzemowa typu-p z warstwą epitaksjalną
typu-n W kolejnych procesach utleniania powierzchni płytki fotolitografii i dyfuzji
domieszek wytwarza się poszczegoacutelne elementy układu Na końcu definiuje się topografię
metalizacji czyli sieć ścieżek metalicznych (np Al Au) tworzących wzajemne połączenia
elektryczne elementoacutew i wyprowadzenia do kontaktoacutew zewnętrznych Należy zaznaczyć
że powierzchnia układu jest pokryta cienką warstwą izolacyjną z dwutlenku krzemu
SiO2 ktoacutery jest przeźroczysty dla fal widzialnych Stąd patrząc na układ widzimy
granice obszaroacutew poszczegoacutelnych dyfuzji domieszek (granice złącz p-n) wykonanych
wcześniej a teraz znajdujących się pod warstwą SiO2 Oczywiście ścieżki metalizacji
leżą na tej niewidocznej warstwie izolacyjnej i łączą się z poszczegoacutelnymi obszarami
elementoacutew tylko w ściśle zdefiniowanych tzw oknach kontaktowych (np kontakt
emitera kontakt bazy kontakt kolektora kontakty rezystoroacutew)
W dalszych punktach przedstawione zostaną typowe konstrukcje wybranych
elementoacutew czynnych i biernych układu scalonego Rozwiązania konstrukcyjnych elementoacutew
składowych układu scalonego przedstawiona zostanie na przykładzie układu wzmacniacza
operacyjnego A 709 firmy Fairchild Fotografię tego układu wykonana z mikroskopem
optycznym przedstawia rys7a a schemat elektryczny tego wzmacniacza widzimy na rys7b
8
Układ ma 8 doprowadzeń (drut Au lub Al o średnicy 50 microm) z poacutel kontaktowych do
wyprowadzeń (noacuteżek) obudowy składa się z piętnastu tranzystoroacutew i piętnastu rezystoroacutew
W układzie występują zaroacutewno tranzystory npn jak i pnp W tym układzie nie występują inne
elementy ale w nowszych typach wzmacniaczy operacyjnych jak np microA 741 znajdują się
także kondensatory
Rys 7a Zdjęcie układu scalonego wzmacniacza operacyjnego A 709
Rys7b Schemat elektryczny wzmacniacza operacyjnego A 709
9
31 Elementy czynne w układach scalonych
311 Tranzystory npn
Pojedynczy tranzystor npn wykonany jest w izolowanej wyspie typu n (kolektor -
C) w ktoacuterej w procesie dyfuzji wykonuje się najpierw obszar typu p (bazę - B) a w nim
kolejną dyfuzją obszar typu n (emiter - E) Najczęściej stosowane w bipolarnych układach
scalonych są tranzystory npn i cała konstrukcja układu jest projektowana pod kątem ich
optymalnej pracy W przykładowym układzie microA709 jest ich dwanaście Wśroacuted nich są takie
tranzystory ktoacutere są odizolowane od pozostałych (leżą na wydzielonych wyspach) oraz takie
ktoacutere mają wspoacutelny kolektor czyli leżą na wspoacutelnej wyspie Przykładem tych pierwszych są
tranzystory T1 lub T2 natomiast drugim przykładem jest np para tranzystoroacutew T4 i T6
Przekroacutej poprzeczny oraz zdjęcie widoku z goacutery tranzystora na pojedynczej wyspie
przedstawiono odpowiednio na rys8 a i rys 8 b Na zdjęciu zdefiniowano kontakty emitera
bazy i kolektora Na rys8 c pokazano zdjęcie widoku z goacutery tranzystoroacutew T4 i T6
umieszczone na wspoacutelnej wyspie z oznaczeniem ich kontaktoacutew
a) c)
b)
Rys8 Tranzystory npn a) Przekroacutej poprzeczny
tranzystora n-p-n leżącego na izolowanej wyspie [4]
b) zdjęcie widoku z goacutery tranzystora npn leżącego na
izolowanej wyspie c) zdjęcie widoku z goacutery dwoacutech
tranzystoroacutew npn leżących na wspoacutelnej wyspie
312 Tranzystory pnp
Rzadziej stosowane w układach są tranzystory typu pnp Wytworzenie ich nie
wymaga zastosowania dodatkowych operacji technologicznych - są wytwarzane roacutewnolegle
z obszarami tranzystoroacutew npn - a jedynie odpowiedniej konfiguracji tych obszaroacutew
Tranzystor typu pnp może być wytworzony w dwoacutech wersjach
tranzystora podłożowego (substrate transistor)
tranzystora bocznego (lateral transistor)
10
W tranzystorze podłożowym podłoże jest kolektorem warstwa wyspy typu-n jest bazą
(w tranzystorze npn jest kolektorem) a warstwa typu p jest emiterem (w tranzystorze npn jest
ona bazą) Taki tranzystor ma kolektor podłączony na stałe do niskiego bieguna zasilacza
Tranzystorem podłożowym w układzie microA709 jest tranzystor T13 Przekroacutej poprzeczny
i zdjęcie widoku z goacutery tranzystora podłożowego przedstawia rys9 Tranzystor T13 tworzy
parę komplementarną z tranzystorem npn T14 Jest to typowy układ stopnia wyjściowego we
wzmacniaczu operacyjnym Jak można zauważyć wzmacniacz operacyjny ma zasilanie
symetryczne +UCC ndash UEE względem masy układu i stąd zastosowanie w tym miejscu
tranzystora podłożowego pnp
a)
Rys9 Tranzystor pnp podłożowy a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
Przykładem tranzystora bocznego w układzie microA709 jest tranzystor T9 ktoacutery musi
mieć kolektor odizolowany Konstrukcja tranzystora bocznego (jak wynika z nazwy) to układ
obszaroacutew typu p wytworzonych w wyspie typu n Odpowiednie obszary typu p stanowią
obszary kolektora i emitera a wyspa typu n w ktoacuterej te obszary wytworzono stanowi bazę
tranzystora Przekroacutej poprzeczny bocznego tranzystora pnp oraz zdjęcie widoku z goacutery
tranzystora T9 przedstawia rys10
a) b)
Rys10 Tranzystor pnp boczny a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
313 Diody
W układzie microA709 nie ma pojedynczych struktur diodowych ale oczywiście nie ma
najmniejszego problemu aby wykonać ten element w technologii bipolarnej Można
wykorzystać złącze kolektor-baza lub baza-emiter tranzystora n-p-n Pierwsze rozwiązanie
11
umożliwia uzyskanie diody o wyższym napięciu przebicia kosztem czasu przełączania drugie
diody z kroacutetkim czasem przełączania kosztem niższego napięcia przebicia W układach
bipolarnych możliwe jest roacutewnież wykonanie diod Schottkyrsquoego czyli struktur złączowych
metal-poacutełprzewodnik typu-n
32 Elementy bierne w układach scalonych
Elementami biernymi w układach scalonych są rezystory kondensatory oraz cewki
indukcyjne Dalej przedstawione zostaną konstrukcje tych elementoacutew przy czym na początku
trzeba stwierdzić że w typowej technologii bipolarnej cewki indukcyjne dla układoacutew średniej
częstotliwości nie są stosowane Zapewnienie odpowiedniej wartości indukcyjności
wymagałoby przeznaczenia na cewkę dużej powierzchni czipa a dobroć takiej cewki
planarnej jest niewielka Struktury cewek wykonanych w układach scalonych jako spirali
ścieżki metalizacji są czasem stosowane w układach mikrofalowych (fgt1 GHz) w ktoacuterych
wystarcza niewielka wartość indukcyjność (kilka nH) W związku z tym w układach
bipolarnych przeznaczonych do pracy w zakresie częstotliwości radiowych i w układach
cyfrowych gama elementoacutew biernych ograniczona jest do rezystoroacutew i kondensatoroacutew
321 Rezystory
Rezystory w układach scalonych wytwarza się wykorzystując w zależności od
wymagań warstwy domieszkowane bazy lub emitera tranzystora n-p-n Są to tzw rezystory
dyfuzyjne ponieważ domieszkowanie tych obszaroacutew następuje w procesie dyfuzji domieszek
W każdym przypadku wartość rezystancji zależy od tzw rezystancji powierzchniowej
warstwy R oraz ilości kwadratoacutew wykonywanego rezystora wg zależności
R= n R (12)
gdzie n ndash to ilość kwadratoacutew z ktoacuterych można bdquozłożyćrdquo rezystor o danej długości
R ndash jest rezystancją danej warstwy o powierzchni kwadratu (nie zależy od wymiaru
kwadratu)
Rezystancja powierzchniowa warstwy bdquobazowejrdquo wynosi zwykle ok 200 co
pozwala wykonać rezystory w zakresie od 50 (cztery kwadraty połączone roacutewnolegle) do
20 k (100 kwadratoacutew połączonych szeregowo) W celu wytworzenia rezystoroacutew o mniejszej
rezystancji wykorzystuje się obszary domieszkowane emitera (5 ) Dla uzyskania
rezystoroacutew o większej rezystancji wykorzystuje się obszar bazowy z wkomponowanym
obszarem domieszkowanym emitera do wykonania tzw rezystora ściśniętego Woacutewczas
rezystor wykorzystuje obszar bazowy o zmniejszonym przekroju Przekroacutej poprzeczny
12
struktury rezystora bazowego pokazano na rys11a rezystora ściśniętego na rys11b a widok
z goacutery dwoacutech wybranych rezystoroacutew na rys11c Pokazane na zdjęciu (rys11c) to rezystory
bdquobazowerdquo R12 =10 k oraz R13=75 Widać że rezystor R13 jest bdquokroacutetki a szerokirdquo czyli
można powiedzieć że jest utworzony z kilku (ok 3) kwadratoacutew ułożonych roacutewnolegle
Wyraźnie widoczny obrys rezystoroacutew to granica obszaru dyfuzji domieszek utworzona
podczas wykonywania bazy tranzystoroacutew n-p-n
a) b)
c)
Rys11 Rezystory dyfuzyjne w układach
monolitycznych a) przekroacutej typowego
rezystora bazowego [4] b) przekroacutej rezystora
ściśniętego [4] c) zdjęcie widoku z goacutery
wybranych rezystoroacutew bazowych układu
uA709
322 Kondensatory
Kondensatory są rzadziej stosowane w monolitycznych układach scalonych Ich
pojemność jest proporcjonalna do powierzchni okładki tak jak w kondensatorach płasko-
roacutewnoległych czyli są one bdquonie ekonomicznerdquo jeśli chodzi o wykorzystanie powierzchni
układu Pojemność może być realizowana jako
kondensator dielektryczny (tlenkowy)
kondensator wykorzystujący pojemność złącza p-n
Te dwie pojemności roacuteżnią się diametralnie W pierwszym przypadku kondensator
realizowany jest wg schematu przedstawionego na rys 12a W tym kondensatorze okładką
dolną (B) jest poacutełprzewodnik typu-n+ o dużej przewodności (np warstwa emiterowa)
dielektrykiem jest tlenek SiO2 a okładką goacuterną (A) jest rozwinięta ścieżka metalizacji układu
Zaletę takiego kondensatora jest niezależność jego pojemności od przyłożonego do okładki
napięcia oraz brak upływności W przypadku zastosowania diody jako pojemności wymagana
jest stała polaryzacja zaporowa złącza dla uzyskania stałej pojemności Wadą jest upływność
takiego kondensatora (prąd nasycenia złącza p-n)
13
a) b)
Rys12 Przekroacutej kondensatoroacutew stosowanych w układach monolitycznych
a) kondensator dielektryczny b) złącze p-n jako kondensator [4]
323 Skrzyżowanie ścieżek
Skrzyżowanie ścieżek jest pomocniczym elementem układu i ma zastosowanie
w technologii bardziej rozbudowanych układoacutew kiedy trudne staje się połączenie elementoacutew
przy pomocy ciągłej ścieżki metalizacji Skrzyżowania możemy zrealizować jako
metalizację wielopoziomową
przejście przez podłoże (warstwę emiterową)
W metalizacji wielopoziomowej kolejne warstwy wykonuje się naparowując metal
w proacuteżni i oddzielając je rozpylanym tlenkiem SiO2 tworząc mostek na tym dielektryku
Wymaga to dodatkowych procesoacutew technologicznych Łatwiejsza metoda to wykonanie
skrzyżowania przez warstwę domieszkowaną emitera co pokazano na rys13 Jak widać
na rys13a w miejscu skrzyżowania jedna ze ścieżek jest połączona pod tlenkiem SiO2
obszarem domieszkowanym typu-n+ emitera Na rys13b pokazano przykładowe zdjęcie
takiego skrzyżowania zrealizowanego w scalonym układzie bipolarnym bramki TTL
a) b)
Rys13 Skrzyżowanie ścieżek metalizacji Al przez podłoże Si z wykorzystaniem silnie
domieszkowanej warstwy emiterowej a) przekroacutej poprzeczny [4] b) zdjęcie
widoku z goacutery ndash widoczne są przez przeźroczystą warstwę SiO2 obszary
bdquookienrdquo pozostałe po procesach dyfuzji domieszek do podłoża
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego
2
1 Wiadomości wstępne
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z krzemowymi układami scalonymi wykonanymi
w technologii bipolarnej z izolacją złączową (dyfuzyjną) Schemat elektryczny układu
UL 1111N wraz z oznaczeniem wyprowadzeń przedstawia rys 1 Parametry elektryczne
układu zamieszczono w instrukcji do Ćw nr 14
Rys 1 Schemat elektryczny układu UL 1111N
Układ ten składa się z pięciu tranzystoroacutew bipolarnych typu npn wykonanych w tym
samym cyklu procesoacutew technologicznych obroacutebki płytki krzemowej Każdy z tranzystoroacutew
ma swoacutej kolektor wykonany w izolowanej bdquowyspierdquo krzemu typu-n bdquozanurzonejrdquo w krzemie
typu-p (patrz rys2) Właśnie to złącze p-n pomiędzy podłożem a bdquowyspąrdquo w warunkach
polaryzacji zaporowej przewodzi bardzo niewielki prąd i dzięki temu stanowi niezłą
izolację elektryczną pomiędzy elementami (tranzystory rezystory) wytworzonymi w
jednym czipie układowym W układzie UL1111 tranzystory (T4 i T5) są indywidualnymi
elementami izolowanymi między sobą Dwa tranzystory (T1 i T3) są izolowane od
pozostałych ale mają wspoacutelny emiter Jest to tzw para roacuteżnicowa stosowana w układzie
wzmacniacza roacuteżnicowego ktoacutery z kolei jest podstawowym układem wzmacniacza
operacyjnego Natomiast tranzystor T2 odizolowany od pozostałych ma emiter połączony
galwanicznie z podłożem typu-p ktoacutere jest wspoacutelną anodą złącza p-n stanowiącego izolację
złączową Ze względu na warunek polaryzacji zaporowej podłoże (S) zacisk 13 zawsze ma
najniższy potencjał (przyłożone napięcie) ze wszystkich możliwych w układzie Stąd też
emiter T2 będzie posiadał także taki potencjał Jest to najczęściej niższy biegun zasilacza
W pierwszej części ćwiczenia zadaniem ćwiczących jest ocena jakości izolacji
złączowej układu scalonego na podstawie obliczeń i pomiaroacutew charakterystyki prądowo-
napięciowej złącza p-n podłoże-wyspa
W drugiej części zajęć ćwiczący mają za zadanie dokonać analizy topologicznej układu
scalonego na podstawie zdjęcia i schematu układu otrzymanego od prowadzącego zajęcia
3
2 Obliczanie parametroacutew izolacji
Celem ćwiczenia jest zbadanie parametroacutew monolitycznego układu scalonego
wykonanego w technologii bipolarnej z zastosowaniem izolacji złączowej (dyfuzyjną) jako
izolacji oddzielającej poszczegoacutelne elementy składowe układu z wykorzystaniem układu
UL 1111N Uproszczony poacutełprzekroacutej struktur tranzystorowych w monolitycznym układzie
scalonym przedstawiono na rys2 W podłożu krzemowym typu-p z nałożoną uprzednio
warstwą epitaksjalną typu-n dokonano podziału tej warstwy na szereg indywidualnych
bdquowysprdquo typu-n oddzielonych od siebie obszarami typu-p+ stosując proces dyfuzji domieszek
akceptorowych (np atomoacutew boru) Wyspy stanowią obszar kolektoroacutew tranzystoroacutew typu
npn W kolejnych procesach technologicznych utworzono w wyspach za pomocą
domieszkowania obszary bazy (typ-p) i emitera (typ-n+) tych tranzystoroacutew Na rysunku nie
pokazano izolacji tlenkowej (warstwy SiO2) metalicznych kontaktoacutew i ścieżek połączeń aby
nie zaciemniać obrazu
Rys2 Poacutełprzekroacutej struktur tranzystorowych npn w podłożu typu-p układu monolitycznego
Celem pomiaroacutew i obliczeń jest określenie wartości elementoacutew układu zastępczego
izolacji złączowej (wyspa typu-n - podłoże typu-p) pokazanego na rys3
C Ri
Rp
Podłoże
Wyspa
C - pojemność złącza p-n wyspa - podłoże
Ri - rezystancja izolacji wyspy (upływ złącza)
Rp - rezystancja podłoża (szeregowa
rezystancja złącza wyspa-podłoże)
Rys3 Układ zastępczy izolacji złączowej
4
Rezystancja izolacji wyspy Ri oraz pojemność pasożytnicza izolacji C decydują
o możliwościach pracy układu w zakresie wysokich częstotliwości i ograniczają pasmo
przenoszenia układu Wielkości te można obliczyć znając parametry materiałowe
odpowiednich warstw poacutełprzewodnikowych w ktoacuterych wykonano elementy układu
scalonego Natomiast rezystancję podłoża Rp można oszacować przez pomiar charakterystyki
prądowo-napięciowej złącza p-n podłoże-wyspa i wyznaczenie rezystancji szeregowej tego
złącza
Do obliczeń przyjmujemy że wyspa w badanym układzie scalonym jest warstwą
epitaksjalną typu-n o rezystywności =5 cm na podłożu typu-p o rezystywności =20 cm
Wyspa posiada kształt i wymiary jak pokazano na rys4
Rys 4 Wymiary i rezystywności wyspy o izolacji złączowej w badanym układzie scalonym
W celu wyznaczenia rezystancji Ri i pojemności C można skorzystać z zależności
rezystywności poacutełprzewodnika od koncentracji nośnikoacutew (tzw krzywa Irvinga)
przedstawionej na rys5 oraz zmian ruchliwości nośnikoacutew w funkcji koncentracji nośnikoacutew
w krzemie przedstawionej na rys6 Korzystając z tych wykresoacutew wyznaczamy i zapisujemy
w sprawozdaniu wartości koncentracji nośnikoacutew
Nd=helliphelliphelliphelliphellip dla Sin(=5cm) (1)
Na=helliphelliphelliphelliphellip dla Sip(=20cm) (2)
Wartościom koncentracji domieszek Na Nd odpowiadają ruchliwości n i p nośnikoacutew
większościowych i mniejszościowych
n=helliphelliphellip dla Nd (1) (3)
p=helliphelliphelliphellipdla Na (2) (4)
W celu obliczenia parametroacutew układu zastępczego wyspy w układzie scalonym UL 1111N
konieczna jest znajomość następujących wartości stałych fizycznych i materiałowych
ładunek elementarny q = 160210-19
C
stała Boltzmanna k = 861610-5
eVK
5
przenikalność elektryczna proacuteżni o = 88510-12
Fm
względna przenikalność elektryczna krzemu Si = 12
koncentracja nośnikoacutew samoistnych w Si ni = 151010
cm-3
(w temp 300K)
średnia droga dyfuzji dziur elektronoacutew Lp = Ln = 310-2
cm
do zapamiętania kTq = 26 mV dla T = 300 K
Rys 5 Rezystywność w funkcji koncentracji domieszek Na i Nd
w krzemie w temperaturze T = 300 K
1015
1014
1017
1018
1019
1020
1013
1016
0
Koncentracja domieszek [cm ] (Si-n)-3
[cm
(Vs)
]2
-1
n
200
400
600
800
1000
1200
1400
p
Ruc
hliw
ość
nośn
ikoacutew
Rys 6 Ruchliwości nośnikoacutew większościowych i mniejszościowych w krzemie typu-n
6
21 Oszacowanie rezystancji izolacji wyspy Ri
Powierzchnia złącza S wynosi
ybocznawyspdnawyspy SSS (obliczyć) (5)
Prąd I płynący przez złącze przy polaryzacji w kierunku zaporowym (izolacja złączowa)
jest sumą prądu nasycenia Is oraz prądu generacji Ig
gs III (6)
gdzie Is wyraża się wzorem
an
n
dp
p
isNL
D
NL
DnqSI 2 (7)
a ponieważ składnik dp
p
NL
D jest około pięciokrotnie mniejszy od
an
n
NL
D to wyrażenie
na wartość Is można uprościć do postaci
an
nis
NL
DnqSI 2 (8)
przy czym Dn= nkTq [cm2s] jest stałą dyfuzji elektronoacutew (proporcjonalną do ruchliwości)
Stosunek IgIs zależy od koncentracji nośnikoacutew samoistnych ni a więc od szerokości
pasma zabronionego i dla typowych parametroacutew materiałowych w złączach p-n wykonanych
z krzemu
Ig 3000 Is Ig =
Znając wartość prądu płynącego przez złącze można zatem oszacować wartość Ri przy
założonym napięciu polaryzacji zaporowej UR = 10V
g
iI
UR (9)
22 Obliczanie pojemności wyspa-podłoże
Pojemność wyspy C układu UL 1111N należy obliczyć ze wzoru na pojemność kondensatora
płaskiego ktoacutery jest dobrym przybliżeniem pojemności złącza p-n
d
SC Si 0
(10)
gdzie S ndash jest powierzchnią złącza
d ndash jest szerokością warstwy zaporowej złącza gdy bariera potencjału na złączu jest
roacutewna sumie napięcia dyfuzyjnego UD i zewnętrznego napięcia polaryzującego
złącze U
7
UUNN
NN
qd D
da
daSi
02
(11)
przy czym UDlt0 (przyjmujemy że wartość napięcia dyfuzyjnego UD = - 065 V)
Do wzoru podstawia się wartość U dla kierunku zaporowego ze znakiem -
Należy obliczyć wartości pojemności C dla polaryzacji U = 0 V oraz U = -10 V
23 Pomiar rezystancji podłoża Rp
Wartość rezystancji podłoża można wyznaczyć mierząc charakterystykę prądowo-
napięciową złącza wyspa-podłoże spolaryzowanego w kierunku przewodzenia Po wykonaniu
wykresu I=f(U) w układzie wspoacutełrzędnych lin-log należy wyznaczyć parametry rzeczywistego
złącza p-n rezystancję Rs prąd nasycenia Is i wspoacutełczynnik doskonałości złącza n
3 Konstrukcja elementoacutew składowych bipolarnych układoacutew scalonych
Planarna technologia krzemowa elementoacutew składowych monolitycznych układoacutew
scalonych bazuje na selektywnym wytwarzaniu w podłożu krzemowym odpowiednich
obszaroacutew Obszary te mogą roacuteżnić się typem przewodnictwa oraz poziomem
domieszkowania Wytworzone obszary mogą stanowić elementy bierne (rezystory
kondensatory) lub czynne (tranzystory diody) układu scalonego W typowych układach
bipolarnych podłożem wyjściowym jest płytka krzemowa typu-p z warstwą epitaksjalną
typu-n W kolejnych procesach utleniania powierzchni płytki fotolitografii i dyfuzji
domieszek wytwarza się poszczegoacutelne elementy układu Na końcu definiuje się topografię
metalizacji czyli sieć ścieżek metalicznych (np Al Au) tworzących wzajemne połączenia
elektryczne elementoacutew i wyprowadzenia do kontaktoacutew zewnętrznych Należy zaznaczyć
że powierzchnia układu jest pokryta cienką warstwą izolacyjną z dwutlenku krzemu
SiO2 ktoacutery jest przeźroczysty dla fal widzialnych Stąd patrząc na układ widzimy
granice obszaroacutew poszczegoacutelnych dyfuzji domieszek (granice złącz p-n) wykonanych
wcześniej a teraz znajdujących się pod warstwą SiO2 Oczywiście ścieżki metalizacji
leżą na tej niewidocznej warstwie izolacyjnej i łączą się z poszczegoacutelnymi obszarami
elementoacutew tylko w ściśle zdefiniowanych tzw oknach kontaktowych (np kontakt
emitera kontakt bazy kontakt kolektora kontakty rezystoroacutew)
W dalszych punktach przedstawione zostaną typowe konstrukcje wybranych
elementoacutew czynnych i biernych układu scalonego Rozwiązania konstrukcyjnych elementoacutew
składowych układu scalonego przedstawiona zostanie na przykładzie układu wzmacniacza
operacyjnego A 709 firmy Fairchild Fotografię tego układu wykonana z mikroskopem
optycznym przedstawia rys7a a schemat elektryczny tego wzmacniacza widzimy na rys7b
8
Układ ma 8 doprowadzeń (drut Au lub Al o średnicy 50 microm) z poacutel kontaktowych do
wyprowadzeń (noacuteżek) obudowy składa się z piętnastu tranzystoroacutew i piętnastu rezystoroacutew
W układzie występują zaroacutewno tranzystory npn jak i pnp W tym układzie nie występują inne
elementy ale w nowszych typach wzmacniaczy operacyjnych jak np microA 741 znajdują się
także kondensatory
Rys 7a Zdjęcie układu scalonego wzmacniacza operacyjnego A 709
Rys7b Schemat elektryczny wzmacniacza operacyjnego A 709
9
31 Elementy czynne w układach scalonych
311 Tranzystory npn
Pojedynczy tranzystor npn wykonany jest w izolowanej wyspie typu n (kolektor -
C) w ktoacuterej w procesie dyfuzji wykonuje się najpierw obszar typu p (bazę - B) a w nim
kolejną dyfuzją obszar typu n (emiter - E) Najczęściej stosowane w bipolarnych układach
scalonych są tranzystory npn i cała konstrukcja układu jest projektowana pod kątem ich
optymalnej pracy W przykładowym układzie microA709 jest ich dwanaście Wśroacuted nich są takie
tranzystory ktoacutere są odizolowane od pozostałych (leżą na wydzielonych wyspach) oraz takie
ktoacutere mają wspoacutelny kolektor czyli leżą na wspoacutelnej wyspie Przykładem tych pierwszych są
tranzystory T1 lub T2 natomiast drugim przykładem jest np para tranzystoroacutew T4 i T6
Przekroacutej poprzeczny oraz zdjęcie widoku z goacutery tranzystora na pojedynczej wyspie
przedstawiono odpowiednio na rys8 a i rys 8 b Na zdjęciu zdefiniowano kontakty emitera
bazy i kolektora Na rys8 c pokazano zdjęcie widoku z goacutery tranzystoroacutew T4 i T6
umieszczone na wspoacutelnej wyspie z oznaczeniem ich kontaktoacutew
a) c)
b)
Rys8 Tranzystory npn a) Przekroacutej poprzeczny
tranzystora n-p-n leżącego na izolowanej wyspie [4]
b) zdjęcie widoku z goacutery tranzystora npn leżącego na
izolowanej wyspie c) zdjęcie widoku z goacutery dwoacutech
tranzystoroacutew npn leżących na wspoacutelnej wyspie
312 Tranzystory pnp
Rzadziej stosowane w układach są tranzystory typu pnp Wytworzenie ich nie
wymaga zastosowania dodatkowych operacji technologicznych - są wytwarzane roacutewnolegle
z obszarami tranzystoroacutew npn - a jedynie odpowiedniej konfiguracji tych obszaroacutew
Tranzystor typu pnp może być wytworzony w dwoacutech wersjach
tranzystora podłożowego (substrate transistor)
tranzystora bocznego (lateral transistor)
10
W tranzystorze podłożowym podłoże jest kolektorem warstwa wyspy typu-n jest bazą
(w tranzystorze npn jest kolektorem) a warstwa typu p jest emiterem (w tranzystorze npn jest
ona bazą) Taki tranzystor ma kolektor podłączony na stałe do niskiego bieguna zasilacza
Tranzystorem podłożowym w układzie microA709 jest tranzystor T13 Przekroacutej poprzeczny
i zdjęcie widoku z goacutery tranzystora podłożowego przedstawia rys9 Tranzystor T13 tworzy
parę komplementarną z tranzystorem npn T14 Jest to typowy układ stopnia wyjściowego we
wzmacniaczu operacyjnym Jak można zauważyć wzmacniacz operacyjny ma zasilanie
symetryczne +UCC ndash UEE względem masy układu i stąd zastosowanie w tym miejscu
tranzystora podłożowego pnp
a)
Rys9 Tranzystor pnp podłożowy a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
Przykładem tranzystora bocznego w układzie microA709 jest tranzystor T9 ktoacutery musi
mieć kolektor odizolowany Konstrukcja tranzystora bocznego (jak wynika z nazwy) to układ
obszaroacutew typu p wytworzonych w wyspie typu n Odpowiednie obszary typu p stanowią
obszary kolektora i emitera a wyspa typu n w ktoacuterej te obszary wytworzono stanowi bazę
tranzystora Przekroacutej poprzeczny bocznego tranzystora pnp oraz zdjęcie widoku z goacutery
tranzystora T9 przedstawia rys10
a) b)
Rys10 Tranzystor pnp boczny a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
313 Diody
W układzie microA709 nie ma pojedynczych struktur diodowych ale oczywiście nie ma
najmniejszego problemu aby wykonać ten element w technologii bipolarnej Można
wykorzystać złącze kolektor-baza lub baza-emiter tranzystora n-p-n Pierwsze rozwiązanie
11
umożliwia uzyskanie diody o wyższym napięciu przebicia kosztem czasu przełączania drugie
diody z kroacutetkim czasem przełączania kosztem niższego napięcia przebicia W układach
bipolarnych możliwe jest roacutewnież wykonanie diod Schottkyrsquoego czyli struktur złączowych
metal-poacutełprzewodnik typu-n
32 Elementy bierne w układach scalonych
Elementami biernymi w układach scalonych są rezystory kondensatory oraz cewki
indukcyjne Dalej przedstawione zostaną konstrukcje tych elementoacutew przy czym na początku
trzeba stwierdzić że w typowej technologii bipolarnej cewki indukcyjne dla układoacutew średniej
częstotliwości nie są stosowane Zapewnienie odpowiedniej wartości indukcyjności
wymagałoby przeznaczenia na cewkę dużej powierzchni czipa a dobroć takiej cewki
planarnej jest niewielka Struktury cewek wykonanych w układach scalonych jako spirali
ścieżki metalizacji są czasem stosowane w układach mikrofalowych (fgt1 GHz) w ktoacuterych
wystarcza niewielka wartość indukcyjność (kilka nH) W związku z tym w układach
bipolarnych przeznaczonych do pracy w zakresie częstotliwości radiowych i w układach
cyfrowych gama elementoacutew biernych ograniczona jest do rezystoroacutew i kondensatoroacutew
321 Rezystory
Rezystory w układach scalonych wytwarza się wykorzystując w zależności od
wymagań warstwy domieszkowane bazy lub emitera tranzystora n-p-n Są to tzw rezystory
dyfuzyjne ponieważ domieszkowanie tych obszaroacutew następuje w procesie dyfuzji domieszek
W każdym przypadku wartość rezystancji zależy od tzw rezystancji powierzchniowej
warstwy R oraz ilości kwadratoacutew wykonywanego rezystora wg zależności
R= n R (12)
gdzie n ndash to ilość kwadratoacutew z ktoacuterych można bdquozłożyćrdquo rezystor o danej długości
R ndash jest rezystancją danej warstwy o powierzchni kwadratu (nie zależy od wymiaru
kwadratu)
Rezystancja powierzchniowa warstwy bdquobazowejrdquo wynosi zwykle ok 200 co
pozwala wykonać rezystory w zakresie od 50 (cztery kwadraty połączone roacutewnolegle) do
20 k (100 kwadratoacutew połączonych szeregowo) W celu wytworzenia rezystoroacutew o mniejszej
rezystancji wykorzystuje się obszary domieszkowane emitera (5 ) Dla uzyskania
rezystoroacutew o większej rezystancji wykorzystuje się obszar bazowy z wkomponowanym
obszarem domieszkowanym emitera do wykonania tzw rezystora ściśniętego Woacutewczas
rezystor wykorzystuje obszar bazowy o zmniejszonym przekroju Przekroacutej poprzeczny
12
struktury rezystora bazowego pokazano na rys11a rezystora ściśniętego na rys11b a widok
z goacutery dwoacutech wybranych rezystoroacutew na rys11c Pokazane na zdjęciu (rys11c) to rezystory
bdquobazowerdquo R12 =10 k oraz R13=75 Widać że rezystor R13 jest bdquokroacutetki a szerokirdquo czyli
można powiedzieć że jest utworzony z kilku (ok 3) kwadratoacutew ułożonych roacutewnolegle
Wyraźnie widoczny obrys rezystoroacutew to granica obszaru dyfuzji domieszek utworzona
podczas wykonywania bazy tranzystoroacutew n-p-n
a) b)
c)
Rys11 Rezystory dyfuzyjne w układach
monolitycznych a) przekroacutej typowego
rezystora bazowego [4] b) przekroacutej rezystora
ściśniętego [4] c) zdjęcie widoku z goacutery
wybranych rezystoroacutew bazowych układu
uA709
322 Kondensatory
Kondensatory są rzadziej stosowane w monolitycznych układach scalonych Ich
pojemność jest proporcjonalna do powierzchni okładki tak jak w kondensatorach płasko-
roacutewnoległych czyli są one bdquonie ekonomicznerdquo jeśli chodzi o wykorzystanie powierzchni
układu Pojemność może być realizowana jako
kondensator dielektryczny (tlenkowy)
kondensator wykorzystujący pojemność złącza p-n
Te dwie pojemności roacuteżnią się diametralnie W pierwszym przypadku kondensator
realizowany jest wg schematu przedstawionego na rys 12a W tym kondensatorze okładką
dolną (B) jest poacutełprzewodnik typu-n+ o dużej przewodności (np warstwa emiterowa)
dielektrykiem jest tlenek SiO2 a okładką goacuterną (A) jest rozwinięta ścieżka metalizacji układu
Zaletę takiego kondensatora jest niezależność jego pojemności od przyłożonego do okładki
napięcia oraz brak upływności W przypadku zastosowania diody jako pojemności wymagana
jest stała polaryzacja zaporowa złącza dla uzyskania stałej pojemności Wadą jest upływność
takiego kondensatora (prąd nasycenia złącza p-n)
13
a) b)
Rys12 Przekroacutej kondensatoroacutew stosowanych w układach monolitycznych
a) kondensator dielektryczny b) złącze p-n jako kondensator [4]
323 Skrzyżowanie ścieżek
Skrzyżowanie ścieżek jest pomocniczym elementem układu i ma zastosowanie
w technologii bardziej rozbudowanych układoacutew kiedy trudne staje się połączenie elementoacutew
przy pomocy ciągłej ścieżki metalizacji Skrzyżowania możemy zrealizować jako
metalizację wielopoziomową
przejście przez podłoże (warstwę emiterową)
W metalizacji wielopoziomowej kolejne warstwy wykonuje się naparowując metal
w proacuteżni i oddzielając je rozpylanym tlenkiem SiO2 tworząc mostek na tym dielektryku
Wymaga to dodatkowych procesoacutew technologicznych Łatwiejsza metoda to wykonanie
skrzyżowania przez warstwę domieszkowaną emitera co pokazano na rys13 Jak widać
na rys13a w miejscu skrzyżowania jedna ze ścieżek jest połączona pod tlenkiem SiO2
obszarem domieszkowanym typu-n+ emitera Na rys13b pokazano przykładowe zdjęcie
takiego skrzyżowania zrealizowanego w scalonym układzie bipolarnym bramki TTL
a) b)
Rys13 Skrzyżowanie ścieżek metalizacji Al przez podłoże Si z wykorzystaniem silnie
domieszkowanej warstwy emiterowej a) przekroacutej poprzeczny [4] b) zdjęcie
widoku z goacutery ndash widoczne są przez przeźroczystą warstwę SiO2 obszary
bdquookienrdquo pozostałe po procesach dyfuzji domieszek do podłoża
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego
3
2 Obliczanie parametroacutew izolacji
Celem ćwiczenia jest zbadanie parametroacutew monolitycznego układu scalonego
wykonanego w technologii bipolarnej z zastosowaniem izolacji złączowej (dyfuzyjną) jako
izolacji oddzielającej poszczegoacutelne elementy składowe układu z wykorzystaniem układu
UL 1111N Uproszczony poacutełprzekroacutej struktur tranzystorowych w monolitycznym układzie
scalonym przedstawiono na rys2 W podłożu krzemowym typu-p z nałożoną uprzednio
warstwą epitaksjalną typu-n dokonano podziału tej warstwy na szereg indywidualnych
bdquowysprdquo typu-n oddzielonych od siebie obszarami typu-p+ stosując proces dyfuzji domieszek
akceptorowych (np atomoacutew boru) Wyspy stanowią obszar kolektoroacutew tranzystoroacutew typu
npn W kolejnych procesach technologicznych utworzono w wyspach za pomocą
domieszkowania obszary bazy (typ-p) i emitera (typ-n+) tych tranzystoroacutew Na rysunku nie
pokazano izolacji tlenkowej (warstwy SiO2) metalicznych kontaktoacutew i ścieżek połączeń aby
nie zaciemniać obrazu
Rys2 Poacutełprzekroacutej struktur tranzystorowych npn w podłożu typu-p układu monolitycznego
Celem pomiaroacutew i obliczeń jest określenie wartości elementoacutew układu zastępczego
izolacji złączowej (wyspa typu-n - podłoże typu-p) pokazanego na rys3
C Ri
Rp
Podłoże
Wyspa
C - pojemność złącza p-n wyspa - podłoże
Ri - rezystancja izolacji wyspy (upływ złącza)
Rp - rezystancja podłoża (szeregowa
rezystancja złącza wyspa-podłoże)
Rys3 Układ zastępczy izolacji złączowej
4
Rezystancja izolacji wyspy Ri oraz pojemność pasożytnicza izolacji C decydują
o możliwościach pracy układu w zakresie wysokich częstotliwości i ograniczają pasmo
przenoszenia układu Wielkości te można obliczyć znając parametry materiałowe
odpowiednich warstw poacutełprzewodnikowych w ktoacuterych wykonano elementy układu
scalonego Natomiast rezystancję podłoża Rp można oszacować przez pomiar charakterystyki
prądowo-napięciowej złącza p-n podłoże-wyspa i wyznaczenie rezystancji szeregowej tego
złącza
Do obliczeń przyjmujemy że wyspa w badanym układzie scalonym jest warstwą
epitaksjalną typu-n o rezystywności =5 cm na podłożu typu-p o rezystywności =20 cm
Wyspa posiada kształt i wymiary jak pokazano na rys4
Rys 4 Wymiary i rezystywności wyspy o izolacji złączowej w badanym układzie scalonym
W celu wyznaczenia rezystancji Ri i pojemności C można skorzystać z zależności
rezystywności poacutełprzewodnika od koncentracji nośnikoacutew (tzw krzywa Irvinga)
przedstawionej na rys5 oraz zmian ruchliwości nośnikoacutew w funkcji koncentracji nośnikoacutew
w krzemie przedstawionej na rys6 Korzystając z tych wykresoacutew wyznaczamy i zapisujemy
w sprawozdaniu wartości koncentracji nośnikoacutew
Nd=helliphelliphelliphelliphellip dla Sin(=5cm) (1)
Na=helliphelliphelliphelliphellip dla Sip(=20cm) (2)
Wartościom koncentracji domieszek Na Nd odpowiadają ruchliwości n i p nośnikoacutew
większościowych i mniejszościowych
n=helliphelliphellip dla Nd (1) (3)
p=helliphelliphelliphellipdla Na (2) (4)
W celu obliczenia parametroacutew układu zastępczego wyspy w układzie scalonym UL 1111N
konieczna jest znajomość następujących wartości stałych fizycznych i materiałowych
ładunek elementarny q = 160210-19
C
stała Boltzmanna k = 861610-5
eVK
5
przenikalność elektryczna proacuteżni o = 88510-12
Fm
względna przenikalność elektryczna krzemu Si = 12
koncentracja nośnikoacutew samoistnych w Si ni = 151010
cm-3
(w temp 300K)
średnia droga dyfuzji dziur elektronoacutew Lp = Ln = 310-2
cm
do zapamiętania kTq = 26 mV dla T = 300 K
Rys 5 Rezystywność w funkcji koncentracji domieszek Na i Nd
w krzemie w temperaturze T = 300 K
1015
1014
1017
1018
1019
1020
1013
1016
0
Koncentracja domieszek [cm ] (Si-n)-3
[cm
(Vs)
]2
-1
n
200
400
600
800
1000
1200
1400
p
Ruc
hliw
ość
nośn
ikoacutew
Rys 6 Ruchliwości nośnikoacutew większościowych i mniejszościowych w krzemie typu-n
6
21 Oszacowanie rezystancji izolacji wyspy Ri
Powierzchnia złącza S wynosi
ybocznawyspdnawyspy SSS (obliczyć) (5)
Prąd I płynący przez złącze przy polaryzacji w kierunku zaporowym (izolacja złączowa)
jest sumą prądu nasycenia Is oraz prądu generacji Ig
gs III (6)
gdzie Is wyraża się wzorem
an
n
dp
p
isNL
D
NL
DnqSI 2 (7)
a ponieważ składnik dp
p
NL
D jest około pięciokrotnie mniejszy od
an
n
NL
D to wyrażenie
na wartość Is można uprościć do postaci
an
nis
NL
DnqSI 2 (8)
przy czym Dn= nkTq [cm2s] jest stałą dyfuzji elektronoacutew (proporcjonalną do ruchliwości)
Stosunek IgIs zależy od koncentracji nośnikoacutew samoistnych ni a więc od szerokości
pasma zabronionego i dla typowych parametroacutew materiałowych w złączach p-n wykonanych
z krzemu
Ig 3000 Is Ig =
Znając wartość prądu płynącego przez złącze można zatem oszacować wartość Ri przy
założonym napięciu polaryzacji zaporowej UR = 10V
g
iI
UR (9)
22 Obliczanie pojemności wyspa-podłoże
Pojemność wyspy C układu UL 1111N należy obliczyć ze wzoru na pojemność kondensatora
płaskiego ktoacutery jest dobrym przybliżeniem pojemności złącza p-n
d
SC Si 0
(10)
gdzie S ndash jest powierzchnią złącza
d ndash jest szerokością warstwy zaporowej złącza gdy bariera potencjału na złączu jest
roacutewna sumie napięcia dyfuzyjnego UD i zewnętrznego napięcia polaryzującego
złącze U
7
UUNN
NN
qd D
da
daSi
02
(11)
przy czym UDlt0 (przyjmujemy że wartość napięcia dyfuzyjnego UD = - 065 V)
Do wzoru podstawia się wartość U dla kierunku zaporowego ze znakiem -
Należy obliczyć wartości pojemności C dla polaryzacji U = 0 V oraz U = -10 V
23 Pomiar rezystancji podłoża Rp
Wartość rezystancji podłoża można wyznaczyć mierząc charakterystykę prądowo-
napięciową złącza wyspa-podłoże spolaryzowanego w kierunku przewodzenia Po wykonaniu
wykresu I=f(U) w układzie wspoacutełrzędnych lin-log należy wyznaczyć parametry rzeczywistego
złącza p-n rezystancję Rs prąd nasycenia Is i wspoacutełczynnik doskonałości złącza n
3 Konstrukcja elementoacutew składowych bipolarnych układoacutew scalonych
Planarna technologia krzemowa elementoacutew składowych monolitycznych układoacutew
scalonych bazuje na selektywnym wytwarzaniu w podłożu krzemowym odpowiednich
obszaroacutew Obszary te mogą roacuteżnić się typem przewodnictwa oraz poziomem
domieszkowania Wytworzone obszary mogą stanowić elementy bierne (rezystory
kondensatory) lub czynne (tranzystory diody) układu scalonego W typowych układach
bipolarnych podłożem wyjściowym jest płytka krzemowa typu-p z warstwą epitaksjalną
typu-n W kolejnych procesach utleniania powierzchni płytki fotolitografii i dyfuzji
domieszek wytwarza się poszczegoacutelne elementy układu Na końcu definiuje się topografię
metalizacji czyli sieć ścieżek metalicznych (np Al Au) tworzących wzajemne połączenia
elektryczne elementoacutew i wyprowadzenia do kontaktoacutew zewnętrznych Należy zaznaczyć
że powierzchnia układu jest pokryta cienką warstwą izolacyjną z dwutlenku krzemu
SiO2 ktoacutery jest przeźroczysty dla fal widzialnych Stąd patrząc na układ widzimy
granice obszaroacutew poszczegoacutelnych dyfuzji domieszek (granice złącz p-n) wykonanych
wcześniej a teraz znajdujących się pod warstwą SiO2 Oczywiście ścieżki metalizacji
leżą na tej niewidocznej warstwie izolacyjnej i łączą się z poszczegoacutelnymi obszarami
elementoacutew tylko w ściśle zdefiniowanych tzw oknach kontaktowych (np kontakt
emitera kontakt bazy kontakt kolektora kontakty rezystoroacutew)
W dalszych punktach przedstawione zostaną typowe konstrukcje wybranych
elementoacutew czynnych i biernych układu scalonego Rozwiązania konstrukcyjnych elementoacutew
składowych układu scalonego przedstawiona zostanie na przykładzie układu wzmacniacza
operacyjnego A 709 firmy Fairchild Fotografię tego układu wykonana z mikroskopem
optycznym przedstawia rys7a a schemat elektryczny tego wzmacniacza widzimy na rys7b
8
Układ ma 8 doprowadzeń (drut Au lub Al o średnicy 50 microm) z poacutel kontaktowych do
wyprowadzeń (noacuteżek) obudowy składa się z piętnastu tranzystoroacutew i piętnastu rezystoroacutew
W układzie występują zaroacutewno tranzystory npn jak i pnp W tym układzie nie występują inne
elementy ale w nowszych typach wzmacniaczy operacyjnych jak np microA 741 znajdują się
także kondensatory
Rys 7a Zdjęcie układu scalonego wzmacniacza operacyjnego A 709
Rys7b Schemat elektryczny wzmacniacza operacyjnego A 709
9
31 Elementy czynne w układach scalonych
311 Tranzystory npn
Pojedynczy tranzystor npn wykonany jest w izolowanej wyspie typu n (kolektor -
C) w ktoacuterej w procesie dyfuzji wykonuje się najpierw obszar typu p (bazę - B) a w nim
kolejną dyfuzją obszar typu n (emiter - E) Najczęściej stosowane w bipolarnych układach
scalonych są tranzystory npn i cała konstrukcja układu jest projektowana pod kątem ich
optymalnej pracy W przykładowym układzie microA709 jest ich dwanaście Wśroacuted nich są takie
tranzystory ktoacutere są odizolowane od pozostałych (leżą na wydzielonych wyspach) oraz takie
ktoacutere mają wspoacutelny kolektor czyli leżą na wspoacutelnej wyspie Przykładem tych pierwszych są
tranzystory T1 lub T2 natomiast drugim przykładem jest np para tranzystoroacutew T4 i T6
Przekroacutej poprzeczny oraz zdjęcie widoku z goacutery tranzystora na pojedynczej wyspie
przedstawiono odpowiednio na rys8 a i rys 8 b Na zdjęciu zdefiniowano kontakty emitera
bazy i kolektora Na rys8 c pokazano zdjęcie widoku z goacutery tranzystoroacutew T4 i T6
umieszczone na wspoacutelnej wyspie z oznaczeniem ich kontaktoacutew
a) c)
b)
Rys8 Tranzystory npn a) Przekroacutej poprzeczny
tranzystora n-p-n leżącego na izolowanej wyspie [4]
b) zdjęcie widoku z goacutery tranzystora npn leżącego na
izolowanej wyspie c) zdjęcie widoku z goacutery dwoacutech
tranzystoroacutew npn leżących na wspoacutelnej wyspie
312 Tranzystory pnp
Rzadziej stosowane w układach są tranzystory typu pnp Wytworzenie ich nie
wymaga zastosowania dodatkowych operacji technologicznych - są wytwarzane roacutewnolegle
z obszarami tranzystoroacutew npn - a jedynie odpowiedniej konfiguracji tych obszaroacutew
Tranzystor typu pnp może być wytworzony w dwoacutech wersjach
tranzystora podłożowego (substrate transistor)
tranzystora bocznego (lateral transistor)
10
W tranzystorze podłożowym podłoże jest kolektorem warstwa wyspy typu-n jest bazą
(w tranzystorze npn jest kolektorem) a warstwa typu p jest emiterem (w tranzystorze npn jest
ona bazą) Taki tranzystor ma kolektor podłączony na stałe do niskiego bieguna zasilacza
Tranzystorem podłożowym w układzie microA709 jest tranzystor T13 Przekroacutej poprzeczny
i zdjęcie widoku z goacutery tranzystora podłożowego przedstawia rys9 Tranzystor T13 tworzy
parę komplementarną z tranzystorem npn T14 Jest to typowy układ stopnia wyjściowego we
wzmacniaczu operacyjnym Jak można zauważyć wzmacniacz operacyjny ma zasilanie
symetryczne +UCC ndash UEE względem masy układu i stąd zastosowanie w tym miejscu
tranzystora podłożowego pnp
a)
Rys9 Tranzystor pnp podłożowy a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
Przykładem tranzystora bocznego w układzie microA709 jest tranzystor T9 ktoacutery musi
mieć kolektor odizolowany Konstrukcja tranzystora bocznego (jak wynika z nazwy) to układ
obszaroacutew typu p wytworzonych w wyspie typu n Odpowiednie obszary typu p stanowią
obszary kolektora i emitera a wyspa typu n w ktoacuterej te obszary wytworzono stanowi bazę
tranzystora Przekroacutej poprzeczny bocznego tranzystora pnp oraz zdjęcie widoku z goacutery
tranzystora T9 przedstawia rys10
a) b)
Rys10 Tranzystor pnp boczny a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
313 Diody
W układzie microA709 nie ma pojedynczych struktur diodowych ale oczywiście nie ma
najmniejszego problemu aby wykonać ten element w technologii bipolarnej Można
wykorzystać złącze kolektor-baza lub baza-emiter tranzystora n-p-n Pierwsze rozwiązanie
11
umożliwia uzyskanie diody o wyższym napięciu przebicia kosztem czasu przełączania drugie
diody z kroacutetkim czasem przełączania kosztem niższego napięcia przebicia W układach
bipolarnych możliwe jest roacutewnież wykonanie diod Schottkyrsquoego czyli struktur złączowych
metal-poacutełprzewodnik typu-n
32 Elementy bierne w układach scalonych
Elementami biernymi w układach scalonych są rezystory kondensatory oraz cewki
indukcyjne Dalej przedstawione zostaną konstrukcje tych elementoacutew przy czym na początku
trzeba stwierdzić że w typowej technologii bipolarnej cewki indukcyjne dla układoacutew średniej
częstotliwości nie są stosowane Zapewnienie odpowiedniej wartości indukcyjności
wymagałoby przeznaczenia na cewkę dużej powierzchni czipa a dobroć takiej cewki
planarnej jest niewielka Struktury cewek wykonanych w układach scalonych jako spirali
ścieżki metalizacji są czasem stosowane w układach mikrofalowych (fgt1 GHz) w ktoacuterych
wystarcza niewielka wartość indukcyjność (kilka nH) W związku z tym w układach
bipolarnych przeznaczonych do pracy w zakresie częstotliwości radiowych i w układach
cyfrowych gama elementoacutew biernych ograniczona jest do rezystoroacutew i kondensatoroacutew
321 Rezystory
Rezystory w układach scalonych wytwarza się wykorzystując w zależności od
wymagań warstwy domieszkowane bazy lub emitera tranzystora n-p-n Są to tzw rezystory
dyfuzyjne ponieważ domieszkowanie tych obszaroacutew następuje w procesie dyfuzji domieszek
W każdym przypadku wartość rezystancji zależy od tzw rezystancji powierzchniowej
warstwy R oraz ilości kwadratoacutew wykonywanego rezystora wg zależności
R= n R (12)
gdzie n ndash to ilość kwadratoacutew z ktoacuterych można bdquozłożyćrdquo rezystor o danej długości
R ndash jest rezystancją danej warstwy o powierzchni kwadratu (nie zależy od wymiaru
kwadratu)
Rezystancja powierzchniowa warstwy bdquobazowejrdquo wynosi zwykle ok 200 co
pozwala wykonać rezystory w zakresie od 50 (cztery kwadraty połączone roacutewnolegle) do
20 k (100 kwadratoacutew połączonych szeregowo) W celu wytworzenia rezystoroacutew o mniejszej
rezystancji wykorzystuje się obszary domieszkowane emitera (5 ) Dla uzyskania
rezystoroacutew o większej rezystancji wykorzystuje się obszar bazowy z wkomponowanym
obszarem domieszkowanym emitera do wykonania tzw rezystora ściśniętego Woacutewczas
rezystor wykorzystuje obszar bazowy o zmniejszonym przekroju Przekroacutej poprzeczny
12
struktury rezystora bazowego pokazano na rys11a rezystora ściśniętego na rys11b a widok
z goacutery dwoacutech wybranych rezystoroacutew na rys11c Pokazane na zdjęciu (rys11c) to rezystory
bdquobazowerdquo R12 =10 k oraz R13=75 Widać że rezystor R13 jest bdquokroacutetki a szerokirdquo czyli
można powiedzieć że jest utworzony z kilku (ok 3) kwadratoacutew ułożonych roacutewnolegle
Wyraźnie widoczny obrys rezystoroacutew to granica obszaru dyfuzji domieszek utworzona
podczas wykonywania bazy tranzystoroacutew n-p-n
a) b)
c)
Rys11 Rezystory dyfuzyjne w układach
monolitycznych a) przekroacutej typowego
rezystora bazowego [4] b) przekroacutej rezystora
ściśniętego [4] c) zdjęcie widoku z goacutery
wybranych rezystoroacutew bazowych układu
uA709
322 Kondensatory
Kondensatory są rzadziej stosowane w monolitycznych układach scalonych Ich
pojemność jest proporcjonalna do powierzchni okładki tak jak w kondensatorach płasko-
roacutewnoległych czyli są one bdquonie ekonomicznerdquo jeśli chodzi o wykorzystanie powierzchni
układu Pojemność może być realizowana jako
kondensator dielektryczny (tlenkowy)
kondensator wykorzystujący pojemność złącza p-n
Te dwie pojemności roacuteżnią się diametralnie W pierwszym przypadku kondensator
realizowany jest wg schematu przedstawionego na rys 12a W tym kondensatorze okładką
dolną (B) jest poacutełprzewodnik typu-n+ o dużej przewodności (np warstwa emiterowa)
dielektrykiem jest tlenek SiO2 a okładką goacuterną (A) jest rozwinięta ścieżka metalizacji układu
Zaletę takiego kondensatora jest niezależność jego pojemności od przyłożonego do okładki
napięcia oraz brak upływności W przypadku zastosowania diody jako pojemności wymagana
jest stała polaryzacja zaporowa złącza dla uzyskania stałej pojemności Wadą jest upływność
takiego kondensatora (prąd nasycenia złącza p-n)
13
a) b)
Rys12 Przekroacutej kondensatoroacutew stosowanych w układach monolitycznych
a) kondensator dielektryczny b) złącze p-n jako kondensator [4]
323 Skrzyżowanie ścieżek
Skrzyżowanie ścieżek jest pomocniczym elementem układu i ma zastosowanie
w technologii bardziej rozbudowanych układoacutew kiedy trudne staje się połączenie elementoacutew
przy pomocy ciągłej ścieżki metalizacji Skrzyżowania możemy zrealizować jako
metalizację wielopoziomową
przejście przez podłoże (warstwę emiterową)
W metalizacji wielopoziomowej kolejne warstwy wykonuje się naparowując metal
w proacuteżni i oddzielając je rozpylanym tlenkiem SiO2 tworząc mostek na tym dielektryku
Wymaga to dodatkowych procesoacutew technologicznych Łatwiejsza metoda to wykonanie
skrzyżowania przez warstwę domieszkowaną emitera co pokazano na rys13 Jak widać
na rys13a w miejscu skrzyżowania jedna ze ścieżek jest połączona pod tlenkiem SiO2
obszarem domieszkowanym typu-n+ emitera Na rys13b pokazano przykładowe zdjęcie
takiego skrzyżowania zrealizowanego w scalonym układzie bipolarnym bramki TTL
a) b)
Rys13 Skrzyżowanie ścieżek metalizacji Al przez podłoże Si z wykorzystaniem silnie
domieszkowanej warstwy emiterowej a) przekroacutej poprzeczny [4] b) zdjęcie
widoku z goacutery ndash widoczne są przez przeźroczystą warstwę SiO2 obszary
bdquookienrdquo pozostałe po procesach dyfuzji domieszek do podłoża
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego
4
Rezystancja izolacji wyspy Ri oraz pojemność pasożytnicza izolacji C decydują
o możliwościach pracy układu w zakresie wysokich częstotliwości i ograniczają pasmo
przenoszenia układu Wielkości te można obliczyć znając parametry materiałowe
odpowiednich warstw poacutełprzewodnikowych w ktoacuterych wykonano elementy układu
scalonego Natomiast rezystancję podłoża Rp można oszacować przez pomiar charakterystyki
prądowo-napięciowej złącza p-n podłoże-wyspa i wyznaczenie rezystancji szeregowej tego
złącza
Do obliczeń przyjmujemy że wyspa w badanym układzie scalonym jest warstwą
epitaksjalną typu-n o rezystywności =5 cm na podłożu typu-p o rezystywności =20 cm
Wyspa posiada kształt i wymiary jak pokazano na rys4
Rys 4 Wymiary i rezystywności wyspy o izolacji złączowej w badanym układzie scalonym
W celu wyznaczenia rezystancji Ri i pojemności C można skorzystać z zależności
rezystywności poacutełprzewodnika od koncentracji nośnikoacutew (tzw krzywa Irvinga)
przedstawionej na rys5 oraz zmian ruchliwości nośnikoacutew w funkcji koncentracji nośnikoacutew
w krzemie przedstawionej na rys6 Korzystając z tych wykresoacutew wyznaczamy i zapisujemy
w sprawozdaniu wartości koncentracji nośnikoacutew
Nd=helliphelliphelliphelliphellip dla Sin(=5cm) (1)
Na=helliphelliphelliphelliphellip dla Sip(=20cm) (2)
Wartościom koncentracji domieszek Na Nd odpowiadają ruchliwości n i p nośnikoacutew
większościowych i mniejszościowych
n=helliphelliphellip dla Nd (1) (3)
p=helliphelliphelliphellipdla Na (2) (4)
W celu obliczenia parametroacutew układu zastępczego wyspy w układzie scalonym UL 1111N
konieczna jest znajomość następujących wartości stałych fizycznych i materiałowych
ładunek elementarny q = 160210-19
C
stała Boltzmanna k = 861610-5
eVK
5
przenikalność elektryczna proacuteżni o = 88510-12
Fm
względna przenikalność elektryczna krzemu Si = 12
koncentracja nośnikoacutew samoistnych w Si ni = 151010
cm-3
(w temp 300K)
średnia droga dyfuzji dziur elektronoacutew Lp = Ln = 310-2
cm
do zapamiętania kTq = 26 mV dla T = 300 K
Rys 5 Rezystywność w funkcji koncentracji domieszek Na i Nd
w krzemie w temperaturze T = 300 K
1015
1014
1017
1018
1019
1020
1013
1016
0
Koncentracja domieszek [cm ] (Si-n)-3
[cm
(Vs)
]2
-1
n
200
400
600
800
1000
1200
1400
p
Ruc
hliw
ość
nośn
ikoacutew
Rys 6 Ruchliwości nośnikoacutew większościowych i mniejszościowych w krzemie typu-n
6
21 Oszacowanie rezystancji izolacji wyspy Ri
Powierzchnia złącza S wynosi
ybocznawyspdnawyspy SSS (obliczyć) (5)
Prąd I płynący przez złącze przy polaryzacji w kierunku zaporowym (izolacja złączowa)
jest sumą prądu nasycenia Is oraz prądu generacji Ig
gs III (6)
gdzie Is wyraża się wzorem
an
n
dp
p
isNL
D
NL
DnqSI 2 (7)
a ponieważ składnik dp
p
NL
D jest około pięciokrotnie mniejszy od
an
n
NL
D to wyrażenie
na wartość Is można uprościć do postaci
an
nis
NL
DnqSI 2 (8)
przy czym Dn= nkTq [cm2s] jest stałą dyfuzji elektronoacutew (proporcjonalną do ruchliwości)
Stosunek IgIs zależy od koncentracji nośnikoacutew samoistnych ni a więc od szerokości
pasma zabronionego i dla typowych parametroacutew materiałowych w złączach p-n wykonanych
z krzemu
Ig 3000 Is Ig =
Znając wartość prądu płynącego przez złącze można zatem oszacować wartość Ri przy
założonym napięciu polaryzacji zaporowej UR = 10V
g
iI
UR (9)
22 Obliczanie pojemności wyspa-podłoże
Pojemność wyspy C układu UL 1111N należy obliczyć ze wzoru na pojemność kondensatora
płaskiego ktoacutery jest dobrym przybliżeniem pojemności złącza p-n
d
SC Si 0
(10)
gdzie S ndash jest powierzchnią złącza
d ndash jest szerokością warstwy zaporowej złącza gdy bariera potencjału na złączu jest
roacutewna sumie napięcia dyfuzyjnego UD i zewnętrznego napięcia polaryzującego
złącze U
7
UUNN
NN
qd D
da
daSi
02
(11)
przy czym UDlt0 (przyjmujemy że wartość napięcia dyfuzyjnego UD = - 065 V)
Do wzoru podstawia się wartość U dla kierunku zaporowego ze znakiem -
Należy obliczyć wartości pojemności C dla polaryzacji U = 0 V oraz U = -10 V
23 Pomiar rezystancji podłoża Rp
Wartość rezystancji podłoża można wyznaczyć mierząc charakterystykę prądowo-
napięciową złącza wyspa-podłoże spolaryzowanego w kierunku przewodzenia Po wykonaniu
wykresu I=f(U) w układzie wspoacutełrzędnych lin-log należy wyznaczyć parametry rzeczywistego
złącza p-n rezystancję Rs prąd nasycenia Is i wspoacutełczynnik doskonałości złącza n
3 Konstrukcja elementoacutew składowych bipolarnych układoacutew scalonych
Planarna technologia krzemowa elementoacutew składowych monolitycznych układoacutew
scalonych bazuje na selektywnym wytwarzaniu w podłożu krzemowym odpowiednich
obszaroacutew Obszary te mogą roacuteżnić się typem przewodnictwa oraz poziomem
domieszkowania Wytworzone obszary mogą stanowić elementy bierne (rezystory
kondensatory) lub czynne (tranzystory diody) układu scalonego W typowych układach
bipolarnych podłożem wyjściowym jest płytka krzemowa typu-p z warstwą epitaksjalną
typu-n W kolejnych procesach utleniania powierzchni płytki fotolitografii i dyfuzji
domieszek wytwarza się poszczegoacutelne elementy układu Na końcu definiuje się topografię
metalizacji czyli sieć ścieżek metalicznych (np Al Au) tworzących wzajemne połączenia
elektryczne elementoacutew i wyprowadzenia do kontaktoacutew zewnętrznych Należy zaznaczyć
że powierzchnia układu jest pokryta cienką warstwą izolacyjną z dwutlenku krzemu
SiO2 ktoacutery jest przeźroczysty dla fal widzialnych Stąd patrząc na układ widzimy
granice obszaroacutew poszczegoacutelnych dyfuzji domieszek (granice złącz p-n) wykonanych
wcześniej a teraz znajdujących się pod warstwą SiO2 Oczywiście ścieżki metalizacji
leżą na tej niewidocznej warstwie izolacyjnej i łączą się z poszczegoacutelnymi obszarami
elementoacutew tylko w ściśle zdefiniowanych tzw oknach kontaktowych (np kontakt
emitera kontakt bazy kontakt kolektora kontakty rezystoroacutew)
W dalszych punktach przedstawione zostaną typowe konstrukcje wybranych
elementoacutew czynnych i biernych układu scalonego Rozwiązania konstrukcyjnych elementoacutew
składowych układu scalonego przedstawiona zostanie na przykładzie układu wzmacniacza
operacyjnego A 709 firmy Fairchild Fotografię tego układu wykonana z mikroskopem
optycznym przedstawia rys7a a schemat elektryczny tego wzmacniacza widzimy na rys7b
8
Układ ma 8 doprowadzeń (drut Au lub Al o średnicy 50 microm) z poacutel kontaktowych do
wyprowadzeń (noacuteżek) obudowy składa się z piętnastu tranzystoroacutew i piętnastu rezystoroacutew
W układzie występują zaroacutewno tranzystory npn jak i pnp W tym układzie nie występują inne
elementy ale w nowszych typach wzmacniaczy operacyjnych jak np microA 741 znajdują się
także kondensatory
Rys 7a Zdjęcie układu scalonego wzmacniacza operacyjnego A 709
Rys7b Schemat elektryczny wzmacniacza operacyjnego A 709
9
31 Elementy czynne w układach scalonych
311 Tranzystory npn
Pojedynczy tranzystor npn wykonany jest w izolowanej wyspie typu n (kolektor -
C) w ktoacuterej w procesie dyfuzji wykonuje się najpierw obszar typu p (bazę - B) a w nim
kolejną dyfuzją obszar typu n (emiter - E) Najczęściej stosowane w bipolarnych układach
scalonych są tranzystory npn i cała konstrukcja układu jest projektowana pod kątem ich
optymalnej pracy W przykładowym układzie microA709 jest ich dwanaście Wśroacuted nich są takie
tranzystory ktoacutere są odizolowane od pozostałych (leżą na wydzielonych wyspach) oraz takie
ktoacutere mają wspoacutelny kolektor czyli leżą na wspoacutelnej wyspie Przykładem tych pierwszych są
tranzystory T1 lub T2 natomiast drugim przykładem jest np para tranzystoroacutew T4 i T6
Przekroacutej poprzeczny oraz zdjęcie widoku z goacutery tranzystora na pojedynczej wyspie
przedstawiono odpowiednio na rys8 a i rys 8 b Na zdjęciu zdefiniowano kontakty emitera
bazy i kolektora Na rys8 c pokazano zdjęcie widoku z goacutery tranzystoroacutew T4 i T6
umieszczone na wspoacutelnej wyspie z oznaczeniem ich kontaktoacutew
a) c)
b)
Rys8 Tranzystory npn a) Przekroacutej poprzeczny
tranzystora n-p-n leżącego na izolowanej wyspie [4]
b) zdjęcie widoku z goacutery tranzystora npn leżącego na
izolowanej wyspie c) zdjęcie widoku z goacutery dwoacutech
tranzystoroacutew npn leżących na wspoacutelnej wyspie
312 Tranzystory pnp
Rzadziej stosowane w układach są tranzystory typu pnp Wytworzenie ich nie
wymaga zastosowania dodatkowych operacji technologicznych - są wytwarzane roacutewnolegle
z obszarami tranzystoroacutew npn - a jedynie odpowiedniej konfiguracji tych obszaroacutew
Tranzystor typu pnp może być wytworzony w dwoacutech wersjach
tranzystora podłożowego (substrate transistor)
tranzystora bocznego (lateral transistor)
10
W tranzystorze podłożowym podłoże jest kolektorem warstwa wyspy typu-n jest bazą
(w tranzystorze npn jest kolektorem) a warstwa typu p jest emiterem (w tranzystorze npn jest
ona bazą) Taki tranzystor ma kolektor podłączony na stałe do niskiego bieguna zasilacza
Tranzystorem podłożowym w układzie microA709 jest tranzystor T13 Przekroacutej poprzeczny
i zdjęcie widoku z goacutery tranzystora podłożowego przedstawia rys9 Tranzystor T13 tworzy
parę komplementarną z tranzystorem npn T14 Jest to typowy układ stopnia wyjściowego we
wzmacniaczu operacyjnym Jak można zauważyć wzmacniacz operacyjny ma zasilanie
symetryczne +UCC ndash UEE względem masy układu i stąd zastosowanie w tym miejscu
tranzystora podłożowego pnp
a)
Rys9 Tranzystor pnp podłożowy a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
Przykładem tranzystora bocznego w układzie microA709 jest tranzystor T9 ktoacutery musi
mieć kolektor odizolowany Konstrukcja tranzystora bocznego (jak wynika z nazwy) to układ
obszaroacutew typu p wytworzonych w wyspie typu n Odpowiednie obszary typu p stanowią
obszary kolektora i emitera a wyspa typu n w ktoacuterej te obszary wytworzono stanowi bazę
tranzystora Przekroacutej poprzeczny bocznego tranzystora pnp oraz zdjęcie widoku z goacutery
tranzystora T9 przedstawia rys10
a) b)
Rys10 Tranzystor pnp boczny a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
313 Diody
W układzie microA709 nie ma pojedynczych struktur diodowych ale oczywiście nie ma
najmniejszego problemu aby wykonać ten element w technologii bipolarnej Można
wykorzystać złącze kolektor-baza lub baza-emiter tranzystora n-p-n Pierwsze rozwiązanie
11
umożliwia uzyskanie diody o wyższym napięciu przebicia kosztem czasu przełączania drugie
diody z kroacutetkim czasem przełączania kosztem niższego napięcia przebicia W układach
bipolarnych możliwe jest roacutewnież wykonanie diod Schottkyrsquoego czyli struktur złączowych
metal-poacutełprzewodnik typu-n
32 Elementy bierne w układach scalonych
Elementami biernymi w układach scalonych są rezystory kondensatory oraz cewki
indukcyjne Dalej przedstawione zostaną konstrukcje tych elementoacutew przy czym na początku
trzeba stwierdzić że w typowej technologii bipolarnej cewki indukcyjne dla układoacutew średniej
częstotliwości nie są stosowane Zapewnienie odpowiedniej wartości indukcyjności
wymagałoby przeznaczenia na cewkę dużej powierzchni czipa a dobroć takiej cewki
planarnej jest niewielka Struktury cewek wykonanych w układach scalonych jako spirali
ścieżki metalizacji są czasem stosowane w układach mikrofalowych (fgt1 GHz) w ktoacuterych
wystarcza niewielka wartość indukcyjność (kilka nH) W związku z tym w układach
bipolarnych przeznaczonych do pracy w zakresie częstotliwości radiowych i w układach
cyfrowych gama elementoacutew biernych ograniczona jest do rezystoroacutew i kondensatoroacutew
321 Rezystory
Rezystory w układach scalonych wytwarza się wykorzystując w zależności od
wymagań warstwy domieszkowane bazy lub emitera tranzystora n-p-n Są to tzw rezystory
dyfuzyjne ponieważ domieszkowanie tych obszaroacutew następuje w procesie dyfuzji domieszek
W każdym przypadku wartość rezystancji zależy od tzw rezystancji powierzchniowej
warstwy R oraz ilości kwadratoacutew wykonywanego rezystora wg zależności
R= n R (12)
gdzie n ndash to ilość kwadratoacutew z ktoacuterych można bdquozłożyćrdquo rezystor o danej długości
R ndash jest rezystancją danej warstwy o powierzchni kwadratu (nie zależy od wymiaru
kwadratu)
Rezystancja powierzchniowa warstwy bdquobazowejrdquo wynosi zwykle ok 200 co
pozwala wykonać rezystory w zakresie od 50 (cztery kwadraty połączone roacutewnolegle) do
20 k (100 kwadratoacutew połączonych szeregowo) W celu wytworzenia rezystoroacutew o mniejszej
rezystancji wykorzystuje się obszary domieszkowane emitera (5 ) Dla uzyskania
rezystoroacutew o większej rezystancji wykorzystuje się obszar bazowy z wkomponowanym
obszarem domieszkowanym emitera do wykonania tzw rezystora ściśniętego Woacutewczas
rezystor wykorzystuje obszar bazowy o zmniejszonym przekroju Przekroacutej poprzeczny
12
struktury rezystora bazowego pokazano na rys11a rezystora ściśniętego na rys11b a widok
z goacutery dwoacutech wybranych rezystoroacutew na rys11c Pokazane na zdjęciu (rys11c) to rezystory
bdquobazowerdquo R12 =10 k oraz R13=75 Widać że rezystor R13 jest bdquokroacutetki a szerokirdquo czyli
można powiedzieć że jest utworzony z kilku (ok 3) kwadratoacutew ułożonych roacutewnolegle
Wyraźnie widoczny obrys rezystoroacutew to granica obszaru dyfuzji domieszek utworzona
podczas wykonywania bazy tranzystoroacutew n-p-n
a) b)
c)
Rys11 Rezystory dyfuzyjne w układach
monolitycznych a) przekroacutej typowego
rezystora bazowego [4] b) przekroacutej rezystora
ściśniętego [4] c) zdjęcie widoku z goacutery
wybranych rezystoroacutew bazowych układu
uA709
322 Kondensatory
Kondensatory są rzadziej stosowane w monolitycznych układach scalonych Ich
pojemność jest proporcjonalna do powierzchni okładki tak jak w kondensatorach płasko-
roacutewnoległych czyli są one bdquonie ekonomicznerdquo jeśli chodzi o wykorzystanie powierzchni
układu Pojemność może być realizowana jako
kondensator dielektryczny (tlenkowy)
kondensator wykorzystujący pojemność złącza p-n
Te dwie pojemności roacuteżnią się diametralnie W pierwszym przypadku kondensator
realizowany jest wg schematu przedstawionego na rys 12a W tym kondensatorze okładką
dolną (B) jest poacutełprzewodnik typu-n+ o dużej przewodności (np warstwa emiterowa)
dielektrykiem jest tlenek SiO2 a okładką goacuterną (A) jest rozwinięta ścieżka metalizacji układu
Zaletę takiego kondensatora jest niezależność jego pojemności od przyłożonego do okładki
napięcia oraz brak upływności W przypadku zastosowania diody jako pojemności wymagana
jest stała polaryzacja zaporowa złącza dla uzyskania stałej pojemności Wadą jest upływność
takiego kondensatora (prąd nasycenia złącza p-n)
13
a) b)
Rys12 Przekroacutej kondensatoroacutew stosowanych w układach monolitycznych
a) kondensator dielektryczny b) złącze p-n jako kondensator [4]
323 Skrzyżowanie ścieżek
Skrzyżowanie ścieżek jest pomocniczym elementem układu i ma zastosowanie
w technologii bardziej rozbudowanych układoacutew kiedy trudne staje się połączenie elementoacutew
przy pomocy ciągłej ścieżki metalizacji Skrzyżowania możemy zrealizować jako
metalizację wielopoziomową
przejście przez podłoże (warstwę emiterową)
W metalizacji wielopoziomowej kolejne warstwy wykonuje się naparowując metal
w proacuteżni i oddzielając je rozpylanym tlenkiem SiO2 tworząc mostek na tym dielektryku
Wymaga to dodatkowych procesoacutew technologicznych Łatwiejsza metoda to wykonanie
skrzyżowania przez warstwę domieszkowaną emitera co pokazano na rys13 Jak widać
na rys13a w miejscu skrzyżowania jedna ze ścieżek jest połączona pod tlenkiem SiO2
obszarem domieszkowanym typu-n+ emitera Na rys13b pokazano przykładowe zdjęcie
takiego skrzyżowania zrealizowanego w scalonym układzie bipolarnym bramki TTL
a) b)
Rys13 Skrzyżowanie ścieżek metalizacji Al przez podłoże Si z wykorzystaniem silnie
domieszkowanej warstwy emiterowej a) przekroacutej poprzeczny [4] b) zdjęcie
widoku z goacutery ndash widoczne są przez przeźroczystą warstwę SiO2 obszary
bdquookienrdquo pozostałe po procesach dyfuzji domieszek do podłoża
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego
5
przenikalność elektryczna proacuteżni o = 88510-12
Fm
względna przenikalność elektryczna krzemu Si = 12
koncentracja nośnikoacutew samoistnych w Si ni = 151010
cm-3
(w temp 300K)
średnia droga dyfuzji dziur elektronoacutew Lp = Ln = 310-2
cm
do zapamiętania kTq = 26 mV dla T = 300 K
Rys 5 Rezystywność w funkcji koncentracji domieszek Na i Nd
w krzemie w temperaturze T = 300 K
1015
1014
1017
1018
1019
1020
1013
1016
0
Koncentracja domieszek [cm ] (Si-n)-3
[cm
(Vs)
]2
-1
n
200
400
600
800
1000
1200
1400
p
Ruc
hliw
ość
nośn
ikoacutew
Rys 6 Ruchliwości nośnikoacutew większościowych i mniejszościowych w krzemie typu-n
6
21 Oszacowanie rezystancji izolacji wyspy Ri
Powierzchnia złącza S wynosi
ybocznawyspdnawyspy SSS (obliczyć) (5)
Prąd I płynący przez złącze przy polaryzacji w kierunku zaporowym (izolacja złączowa)
jest sumą prądu nasycenia Is oraz prądu generacji Ig
gs III (6)
gdzie Is wyraża się wzorem
an
n
dp
p
isNL
D
NL
DnqSI 2 (7)
a ponieważ składnik dp
p
NL
D jest około pięciokrotnie mniejszy od
an
n
NL
D to wyrażenie
na wartość Is można uprościć do postaci
an
nis
NL
DnqSI 2 (8)
przy czym Dn= nkTq [cm2s] jest stałą dyfuzji elektronoacutew (proporcjonalną do ruchliwości)
Stosunek IgIs zależy od koncentracji nośnikoacutew samoistnych ni a więc od szerokości
pasma zabronionego i dla typowych parametroacutew materiałowych w złączach p-n wykonanych
z krzemu
Ig 3000 Is Ig =
Znając wartość prądu płynącego przez złącze można zatem oszacować wartość Ri przy
założonym napięciu polaryzacji zaporowej UR = 10V
g
iI
UR (9)
22 Obliczanie pojemności wyspa-podłoże
Pojemność wyspy C układu UL 1111N należy obliczyć ze wzoru na pojemność kondensatora
płaskiego ktoacutery jest dobrym przybliżeniem pojemności złącza p-n
d
SC Si 0
(10)
gdzie S ndash jest powierzchnią złącza
d ndash jest szerokością warstwy zaporowej złącza gdy bariera potencjału na złączu jest
roacutewna sumie napięcia dyfuzyjnego UD i zewnętrznego napięcia polaryzującego
złącze U
7
UUNN
NN
qd D
da
daSi
02
(11)
przy czym UDlt0 (przyjmujemy że wartość napięcia dyfuzyjnego UD = - 065 V)
Do wzoru podstawia się wartość U dla kierunku zaporowego ze znakiem -
Należy obliczyć wartości pojemności C dla polaryzacji U = 0 V oraz U = -10 V
23 Pomiar rezystancji podłoża Rp
Wartość rezystancji podłoża można wyznaczyć mierząc charakterystykę prądowo-
napięciową złącza wyspa-podłoże spolaryzowanego w kierunku przewodzenia Po wykonaniu
wykresu I=f(U) w układzie wspoacutełrzędnych lin-log należy wyznaczyć parametry rzeczywistego
złącza p-n rezystancję Rs prąd nasycenia Is i wspoacutełczynnik doskonałości złącza n
3 Konstrukcja elementoacutew składowych bipolarnych układoacutew scalonych
Planarna technologia krzemowa elementoacutew składowych monolitycznych układoacutew
scalonych bazuje na selektywnym wytwarzaniu w podłożu krzemowym odpowiednich
obszaroacutew Obszary te mogą roacuteżnić się typem przewodnictwa oraz poziomem
domieszkowania Wytworzone obszary mogą stanowić elementy bierne (rezystory
kondensatory) lub czynne (tranzystory diody) układu scalonego W typowych układach
bipolarnych podłożem wyjściowym jest płytka krzemowa typu-p z warstwą epitaksjalną
typu-n W kolejnych procesach utleniania powierzchni płytki fotolitografii i dyfuzji
domieszek wytwarza się poszczegoacutelne elementy układu Na końcu definiuje się topografię
metalizacji czyli sieć ścieżek metalicznych (np Al Au) tworzących wzajemne połączenia
elektryczne elementoacutew i wyprowadzenia do kontaktoacutew zewnętrznych Należy zaznaczyć
że powierzchnia układu jest pokryta cienką warstwą izolacyjną z dwutlenku krzemu
SiO2 ktoacutery jest przeźroczysty dla fal widzialnych Stąd patrząc na układ widzimy
granice obszaroacutew poszczegoacutelnych dyfuzji domieszek (granice złącz p-n) wykonanych
wcześniej a teraz znajdujących się pod warstwą SiO2 Oczywiście ścieżki metalizacji
leżą na tej niewidocznej warstwie izolacyjnej i łączą się z poszczegoacutelnymi obszarami
elementoacutew tylko w ściśle zdefiniowanych tzw oknach kontaktowych (np kontakt
emitera kontakt bazy kontakt kolektora kontakty rezystoroacutew)
W dalszych punktach przedstawione zostaną typowe konstrukcje wybranych
elementoacutew czynnych i biernych układu scalonego Rozwiązania konstrukcyjnych elementoacutew
składowych układu scalonego przedstawiona zostanie na przykładzie układu wzmacniacza
operacyjnego A 709 firmy Fairchild Fotografię tego układu wykonana z mikroskopem
optycznym przedstawia rys7a a schemat elektryczny tego wzmacniacza widzimy na rys7b
8
Układ ma 8 doprowadzeń (drut Au lub Al o średnicy 50 microm) z poacutel kontaktowych do
wyprowadzeń (noacuteżek) obudowy składa się z piętnastu tranzystoroacutew i piętnastu rezystoroacutew
W układzie występują zaroacutewno tranzystory npn jak i pnp W tym układzie nie występują inne
elementy ale w nowszych typach wzmacniaczy operacyjnych jak np microA 741 znajdują się
także kondensatory
Rys 7a Zdjęcie układu scalonego wzmacniacza operacyjnego A 709
Rys7b Schemat elektryczny wzmacniacza operacyjnego A 709
9
31 Elementy czynne w układach scalonych
311 Tranzystory npn
Pojedynczy tranzystor npn wykonany jest w izolowanej wyspie typu n (kolektor -
C) w ktoacuterej w procesie dyfuzji wykonuje się najpierw obszar typu p (bazę - B) a w nim
kolejną dyfuzją obszar typu n (emiter - E) Najczęściej stosowane w bipolarnych układach
scalonych są tranzystory npn i cała konstrukcja układu jest projektowana pod kątem ich
optymalnej pracy W przykładowym układzie microA709 jest ich dwanaście Wśroacuted nich są takie
tranzystory ktoacutere są odizolowane od pozostałych (leżą na wydzielonych wyspach) oraz takie
ktoacutere mają wspoacutelny kolektor czyli leżą na wspoacutelnej wyspie Przykładem tych pierwszych są
tranzystory T1 lub T2 natomiast drugim przykładem jest np para tranzystoroacutew T4 i T6
Przekroacutej poprzeczny oraz zdjęcie widoku z goacutery tranzystora na pojedynczej wyspie
przedstawiono odpowiednio na rys8 a i rys 8 b Na zdjęciu zdefiniowano kontakty emitera
bazy i kolektora Na rys8 c pokazano zdjęcie widoku z goacutery tranzystoroacutew T4 i T6
umieszczone na wspoacutelnej wyspie z oznaczeniem ich kontaktoacutew
a) c)
b)
Rys8 Tranzystory npn a) Przekroacutej poprzeczny
tranzystora n-p-n leżącego na izolowanej wyspie [4]
b) zdjęcie widoku z goacutery tranzystora npn leżącego na
izolowanej wyspie c) zdjęcie widoku z goacutery dwoacutech
tranzystoroacutew npn leżących na wspoacutelnej wyspie
312 Tranzystory pnp
Rzadziej stosowane w układach są tranzystory typu pnp Wytworzenie ich nie
wymaga zastosowania dodatkowych operacji technologicznych - są wytwarzane roacutewnolegle
z obszarami tranzystoroacutew npn - a jedynie odpowiedniej konfiguracji tych obszaroacutew
Tranzystor typu pnp może być wytworzony w dwoacutech wersjach
tranzystora podłożowego (substrate transistor)
tranzystora bocznego (lateral transistor)
10
W tranzystorze podłożowym podłoże jest kolektorem warstwa wyspy typu-n jest bazą
(w tranzystorze npn jest kolektorem) a warstwa typu p jest emiterem (w tranzystorze npn jest
ona bazą) Taki tranzystor ma kolektor podłączony na stałe do niskiego bieguna zasilacza
Tranzystorem podłożowym w układzie microA709 jest tranzystor T13 Przekroacutej poprzeczny
i zdjęcie widoku z goacutery tranzystora podłożowego przedstawia rys9 Tranzystor T13 tworzy
parę komplementarną z tranzystorem npn T14 Jest to typowy układ stopnia wyjściowego we
wzmacniaczu operacyjnym Jak można zauważyć wzmacniacz operacyjny ma zasilanie
symetryczne +UCC ndash UEE względem masy układu i stąd zastosowanie w tym miejscu
tranzystora podłożowego pnp
a)
Rys9 Tranzystor pnp podłożowy a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
Przykładem tranzystora bocznego w układzie microA709 jest tranzystor T9 ktoacutery musi
mieć kolektor odizolowany Konstrukcja tranzystora bocznego (jak wynika z nazwy) to układ
obszaroacutew typu p wytworzonych w wyspie typu n Odpowiednie obszary typu p stanowią
obszary kolektora i emitera a wyspa typu n w ktoacuterej te obszary wytworzono stanowi bazę
tranzystora Przekroacutej poprzeczny bocznego tranzystora pnp oraz zdjęcie widoku z goacutery
tranzystora T9 przedstawia rys10
a) b)
Rys10 Tranzystor pnp boczny a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
313 Diody
W układzie microA709 nie ma pojedynczych struktur diodowych ale oczywiście nie ma
najmniejszego problemu aby wykonać ten element w technologii bipolarnej Można
wykorzystać złącze kolektor-baza lub baza-emiter tranzystora n-p-n Pierwsze rozwiązanie
11
umożliwia uzyskanie diody o wyższym napięciu przebicia kosztem czasu przełączania drugie
diody z kroacutetkim czasem przełączania kosztem niższego napięcia przebicia W układach
bipolarnych możliwe jest roacutewnież wykonanie diod Schottkyrsquoego czyli struktur złączowych
metal-poacutełprzewodnik typu-n
32 Elementy bierne w układach scalonych
Elementami biernymi w układach scalonych są rezystory kondensatory oraz cewki
indukcyjne Dalej przedstawione zostaną konstrukcje tych elementoacutew przy czym na początku
trzeba stwierdzić że w typowej technologii bipolarnej cewki indukcyjne dla układoacutew średniej
częstotliwości nie są stosowane Zapewnienie odpowiedniej wartości indukcyjności
wymagałoby przeznaczenia na cewkę dużej powierzchni czipa a dobroć takiej cewki
planarnej jest niewielka Struktury cewek wykonanych w układach scalonych jako spirali
ścieżki metalizacji są czasem stosowane w układach mikrofalowych (fgt1 GHz) w ktoacuterych
wystarcza niewielka wartość indukcyjność (kilka nH) W związku z tym w układach
bipolarnych przeznaczonych do pracy w zakresie częstotliwości radiowych i w układach
cyfrowych gama elementoacutew biernych ograniczona jest do rezystoroacutew i kondensatoroacutew
321 Rezystory
Rezystory w układach scalonych wytwarza się wykorzystując w zależności od
wymagań warstwy domieszkowane bazy lub emitera tranzystora n-p-n Są to tzw rezystory
dyfuzyjne ponieważ domieszkowanie tych obszaroacutew następuje w procesie dyfuzji domieszek
W każdym przypadku wartość rezystancji zależy od tzw rezystancji powierzchniowej
warstwy R oraz ilości kwadratoacutew wykonywanego rezystora wg zależności
R= n R (12)
gdzie n ndash to ilość kwadratoacutew z ktoacuterych można bdquozłożyćrdquo rezystor o danej długości
R ndash jest rezystancją danej warstwy o powierzchni kwadratu (nie zależy od wymiaru
kwadratu)
Rezystancja powierzchniowa warstwy bdquobazowejrdquo wynosi zwykle ok 200 co
pozwala wykonać rezystory w zakresie od 50 (cztery kwadraty połączone roacutewnolegle) do
20 k (100 kwadratoacutew połączonych szeregowo) W celu wytworzenia rezystoroacutew o mniejszej
rezystancji wykorzystuje się obszary domieszkowane emitera (5 ) Dla uzyskania
rezystoroacutew o większej rezystancji wykorzystuje się obszar bazowy z wkomponowanym
obszarem domieszkowanym emitera do wykonania tzw rezystora ściśniętego Woacutewczas
rezystor wykorzystuje obszar bazowy o zmniejszonym przekroju Przekroacutej poprzeczny
12
struktury rezystora bazowego pokazano na rys11a rezystora ściśniętego na rys11b a widok
z goacutery dwoacutech wybranych rezystoroacutew na rys11c Pokazane na zdjęciu (rys11c) to rezystory
bdquobazowerdquo R12 =10 k oraz R13=75 Widać że rezystor R13 jest bdquokroacutetki a szerokirdquo czyli
można powiedzieć że jest utworzony z kilku (ok 3) kwadratoacutew ułożonych roacutewnolegle
Wyraźnie widoczny obrys rezystoroacutew to granica obszaru dyfuzji domieszek utworzona
podczas wykonywania bazy tranzystoroacutew n-p-n
a) b)
c)
Rys11 Rezystory dyfuzyjne w układach
monolitycznych a) przekroacutej typowego
rezystora bazowego [4] b) przekroacutej rezystora
ściśniętego [4] c) zdjęcie widoku z goacutery
wybranych rezystoroacutew bazowych układu
uA709
322 Kondensatory
Kondensatory są rzadziej stosowane w monolitycznych układach scalonych Ich
pojemność jest proporcjonalna do powierzchni okładki tak jak w kondensatorach płasko-
roacutewnoległych czyli są one bdquonie ekonomicznerdquo jeśli chodzi o wykorzystanie powierzchni
układu Pojemność może być realizowana jako
kondensator dielektryczny (tlenkowy)
kondensator wykorzystujący pojemność złącza p-n
Te dwie pojemności roacuteżnią się diametralnie W pierwszym przypadku kondensator
realizowany jest wg schematu przedstawionego na rys 12a W tym kondensatorze okładką
dolną (B) jest poacutełprzewodnik typu-n+ o dużej przewodności (np warstwa emiterowa)
dielektrykiem jest tlenek SiO2 a okładką goacuterną (A) jest rozwinięta ścieżka metalizacji układu
Zaletę takiego kondensatora jest niezależność jego pojemności od przyłożonego do okładki
napięcia oraz brak upływności W przypadku zastosowania diody jako pojemności wymagana
jest stała polaryzacja zaporowa złącza dla uzyskania stałej pojemności Wadą jest upływność
takiego kondensatora (prąd nasycenia złącza p-n)
13
a) b)
Rys12 Przekroacutej kondensatoroacutew stosowanych w układach monolitycznych
a) kondensator dielektryczny b) złącze p-n jako kondensator [4]
323 Skrzyżowanie ścieżek
Skrzyżowanie ścieżek jest pomocniczym elementem układu i ma zastosowanie
w technologii bardziej rozbudowanych układoacutew kiedy trudne staje się połączenie elementoacutew
przy pomocy ciągłej ścieżki metalizacji Skrzyżowania możemy zrealizować jako
metalizację wielopoziomową
przejście przez podłoże (warstwę emiterową)
W metalizacji wielopoziomowej kolejne warstwy wykonuje się naparowując metal
w proacuteżni i oddzielając je rozpylanym tlenkiem SiO2 tworząc mostek na tym dielektryku
Wymaga to dodatkowych procesoacutew technologicznych Łatwiejsza metoda to wykonanie
skrzyżowania przez warstwę domieszkowaną emitera co pokazano na rys13 Jak widać
na rys13a w miejscu skrzyżowania jedna ze ścieżek jest połączona pod tlenkiem SiO2
obszarem domieszkowanym typu-n+ emitera Na rys13b pokazano przykładowe zdjęcie
takiego skrzyżowania zrealizowanego w scalonym układzie bipolarnym bramki TTL
a) b)
Rys13 Skrzyżowanie ścieżek metalizacji Al przez podłoże Si z wykorzystaniem silnie
domieszkowanej warstwy emiterowej a) przekroacutej poprzeczny [4] b) zdjęcie
widoku z goacutery ndash widoczne są przez przeźroczystą warstwę SiO2 obszary
bdquookienrdquo pozostałe po procesach dyfuzji domieszek do podłoża
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego
6
21 Oszacowanie rezystancji izolacji wyspy Ri
Powierzchnia złącza S wynosi
ybocznawyspdnawyspy SSS (obliczyć) (5)
Prąd I płynący przez złącze przy polaryzacji w kierunku zaporowym (izolacja złączowa)
jest sumą prądu nasycenia Is oraz prądu generacji Ig
gs III (6)
gdzie Is wyraża się wzorem
an
n
dp
p
isNL
D
NL
DnqSI 2 (7)
a ponieważ składnik dp
p
NL
D jest około pięciokrotnie mniejszy od
an
n
NL
D to wyrażenie
na wartość Is można uprościć do postaci
an
nis
NL
DnqSI 2 (8)
przy czym Dn= nkTq [cm2s] jest stałą dyfuzji elektronoacutew (proporcjonalną do ruchliwości)
Stosunek IgIs zależy od koncentracji nośnikoacutew samoistnych ni a więc od szerokości
pasma zabronionego i dla typowych parametroacutew materiałowych w złączach p-n wykonanych
z krzemu
Ig 3000 Is Ig =
Znając wartość prądu płynącego przez złącze można zatem oszacować wartość Ri przy
założonym napięciu polaryzacji zaporowej UR = 10V
g
iI
UR (9)
22 Obliczanie pojemności wyspa-podłoże
Pojemność wyspy C układu UL 1111N należy obliczyć ze wzoru na pojemność kondensatora
płaskiego ktoacutery jest dobrym przybliżeniem pojemności złącza p-n
d
SC Si 0
(10)
gdzie S ndash jest powierzchnią złącza
d ndash jest szerokością warstwy zaporowej złącza gdy bariera potencjału na złączu jest
roacutewna sumie napięcia dyfuzyjnego UD i zewnętrznego napięcia polaryzującego
złącze U
7
UUNN
NN
qd D
da
daSi
02
(11)
przy czym UDlt0 (przyjmujemy że wartość napięcia dyfuzyjnego UD = - 065 V)
Do wzoru podstawia się wartość U dla kierunku zaporowego ze znakiem -
Należy obliczyć wartości pojemności C dla polaryzacji U = 0 V oraz U = -10 V
23 Pomiar rezystancji podłoża Rp
Wartość rezystancji podłoża można wyznaczyć mierząc charakterystykę prądowo-
napięciową złącza wyspa-podłoże spolaryzowanego w kierunku przewodzenia Po wykonaniu
wykresu I=f(U) w układzie wspoacutełrzędnych lin-log należy wyznaczyć parametry rzeczywistego
złącza p-n rezystancję Rs prąd nasycenia Is i wspoacutełczynnik doskonałości złącza n
3 Konstrukcja elementoacutew składowych bipolarnych układoacutew scalonych
Planarna technologia krzemowa elementoacutew składowych monolitycznych układoacutew
scalonych bazuje na selektywnym wytwarzaniu w podłożu krzemowym odpowiednich
obszaroacutew Obszary te mogą roacuteżnić się typem przewodnictwa oraz poziomem
domieszkowania Wytworzone obszary mogą stanowić elementy bierne (rezystory
kondensatory) lub czynne (tranzystory diody) układu scalonego W typowych układach
bipolarnych podłożem wyjściowym jest płytka krzemowa typu-p z warstwą epitaksjalną
typu-n W kolejnych procesach utleniania powierzchni płytki fotolitografii i dyfuzji
domieszek wytwarza się poszczegoacutelne elementy układu Na końcu definiuje się topografię
metalizacji czyli sieć ścieżek metalicznych (np Al Au) tworzących wzajemne połączenia
elektryczne elementoacutew i wyprowadzenia do kontaktoacutew zewnętrznych Należy zaznaczyć
że powierzchnia układu jest pokryta cienką warstwą izolacyjną z dwutlenku krzemu
SiO2 ktoacutery jest przeźroczysty dla fal widzialnych Stąd patrząc na układ widzimy
granice obszaroacutew poszczegoacutelnych dyfuzji domieszek (granice złącz p-n) wykonanych
wcześniej a teraz znajdujących się pod warstwą SiO2 Oczywiście ścieżki metalizacji
leżą na tej niewidocznej warstwie izolacyjnej i łączą się z poszczegoacutelnymi obszarami
elementoacutew tylko w ściśle zdefiniowanych tzw oknach kontaktowych (np kontakt
emitera kontakt bazy kontakt kolektora kontakty rezystoroacutew)
W dalszych punktach przedstawione zostaną typowe konstrukcje wybranych
elementoacutew czynnych i biernych układu scalonego Rozwiązania konstrukcyjnych elementoacutew
składowych układu scalonego przedstawiona zostanie na przykładzie układu wzmacniacza
operacyjnego A 709 firmy Fairchild Fotografię tego układu wykonana z mikroskopem
optycznym przedstawia rys7a a schemat elektryczny tego wzmacniacza widzimy na rys7b
8
Układ ma 8 doprowadzeń (drut Au lub Al o średnicy 50 microm) z poacutel kontaktowych do
wyprowadzeń (noacuteżek) obudowy składa się z piętnastu tranzystoroacutew i piętnastu rezystoroacutew
W układzie występują zaroacutewno tranzystory npn jak i pnp W tym układzie nie występują inne
elementy ale w nowszych typach wzmacniaczy operacyjnych jak np microA 741 znajdują się
także kondensatory
Rys 7a Zdjęcie układu scalonego wzmacniacza operacyjnego A 709
Rys7b Schemat elektryczny wzmacniacza operacyjnego A 709
9
31 Elementy czynne w układach scalonych
311 Tranzystory npn
Pojedynczy tranzystor npn wykonany jest w izolowanej wyspie typu n (kolektor -
C) w ktoacuterej w procesie dyfuzji wykonuje się najpierw obszar typu p (bazę - B) a w nim
kolejną dyfuzją obszar typu n (emiter - E) Najczęściej stosowane w bipolarnych układach
scalonych są tranzystory npn i cała konstrukcja układu jest projektowana pod kątem ich
optymalnej pracy W przykładowym układzie microA709 jest ich dwanaście Wśroacuted nich są takie
tranzystory ktoacutere są odizolowane od pozostałych (leżą na wydzielonych wyspach) oraz takie
ktoacutere mają wspoacutelny kolektor czyli leżą na wspoacutelnej wyspie Przykładem tych pierwszych są
tranzystory T1 lub T2 natomiast drugim przykładem jest np para tranzystoroacutew T4 i T6
Przekroacutej poprzeczny oraz zdjęcie widoku z goacutery tranzystora na pojedynczej wyspie
przedstawiono odpowiednio na rys8 a i rys 8 b Na zdjęciu zdefiniowano kontakty emitera
bazy i kolektora Na rys8 c pokazano zdjęcie widoku z goacutery tranzystoroacutew T4 i T6
umieszczone na wspoacutelnej wyspie z oznaczeniem ich kontaktoacutew
a) c)
b)
Rys8 Tranzystory npn a) Przekroacutej poprzeczny
tranzystora n-p-n leżącego na izolowanej wyspie [4]
b) zdjęcie widoku z goacutery tranzystora npn leżącego na
izolowanej wyspie c) zdjęcie widoku z goacutery dwoacutech
tranzystoroacutew npn leżących na wspoacutelnej wyspie
312 Tranzystory pnp
Rzadziej stosowane w układach są tranzystory typu pnp Wytworzenie ich nie
wymaga zastosowania dodatkowych operacji technologicznych - są wytwarzane roacutewnolegle
z obszarami tranzystoroacutew npn - a jedynie odpowiedniej konfiguracji tych obszaroacutew
Tranzystor typu pnp może być wytworzony w dwoacutech wersjach
tranzystora podłożowego (substrate transistor)
tranzystora bocznego (lateral transistor)
10
W tranzystorze podłożowym podłoże jest kolektorem warstwa wyspy typu-n jest bazą
(w tranzystorze npn jest kolektorem) a warstwa typu p jest emiterem (w tranzystorze npn jest
ona bazą) Taki tranzystor ma kolektor podłączony na stałe do niskiego bieguna zasilacza
Tranzystorem podłożowym w układzie microA709 jest tranzystor T13 Przekroacutej poprzeczny
i zdjęcie widoku z goacutery tranzystora podłożowego przedstawia rys9 Tranzystor T13 tworzy
parę komplementarną z tranzystorem npn T14 Jest to typowy układ stopnia wyjściowego we
wzmacniaczu operacyjnym Jak można zauważyć wzmacniacz operacyjny ma zasilanie
symetryczne +UCC ndash UEE względem masy układu i stąd zastosowanie w tym miejscu
tranzystora podłożowego pnp
a)
Rys9 Tranzystor pnp podłożowy a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
Przykładem tranzystora bocznego w układzie microA709 jest tranzystor T9 ktoacutery musi
mieć kolektor odizolowany Konstrukcja tranzystora bocznego (jak wynika z nazwy) to układ
obszaroacutew typu p wytworzonych w wyspie typu n Odpowiednie obszary typu p stanowią
obszary kolektora i emitera a wyspa typu n w ktoacuterej te obszary wytworzono stanowi bazę
tranzystora Przekroacutej poprzeczny bocznego tranzystora pnp oraz zdjęcie widoku z goacutery
tranzystora T9 przedstawia rys10
a) b)
Rys10 Tranzystor pnp boczny a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
313 Diody
W układzie microA709 nie ma pojedynczych struktur diodowych ale oczywiście nie ma
najmniejszego problemu aby wykonać ten element w technologii bipolarnej Można
wykorzystać złącze kolektor-baza lub baza-emiter tranzystora n-p-n Pierwsze rozwiązanie
11
umożliwia uzyskanie diody o wyższym napięciu przebicia kosztem czasu przełączania drugie
diody z kroacutetkim czasem przełączania kosztem niższego napięcia przebicia W układach
bipolarnych możliwe jest roacutewnież wykonanie diod Schottkyrsquoego czyli struktur złączowych
metal-poacutełprzewodnik typu-n
32 Elementy bierne w układach scalonych
Elementami biernymi w układach scalonych są rezystory kondensatory oraz cewki
indukcyjne Dalej przedstawione zostaną konstrukcje tych elementoacutew przy czym na początku
trzeba stwierdzić że w typowej technologii bipolarnej cewki indukcyjne dla układoacutew średniej
częstotliwości nie są stosowane Zapewnienie odpowiedniej wartości indukcyjności
wymagałoby przeznaczenia na cewkę dużej powierzchni czipa a dobroć takiej cewki
planarnej jest niewielka Struktury cewek wykonanych w układach scalonych jako spirali
ścieżki metalizacji są czasem stosowane w układach mikrofalowych (fgt1 GHz) w ktoacuterych
wystarcza niewielka wartość indukcyjność (kilka nH) W związku z tym w układach
bipolarnych przeznaczonych do pracy w zakresie częstotliwości radiowych i w układach
cyfrowych gama elementoacutew biernych ograniczona jest do rezystoroacutew i kondensatoroacutew
321 Rezystory
Rezystory w układach scalonych wytwarza się wykorzystując w zależności od
wymagań warstwy domieszkowane bazy lub emitera tranzystora n-p-n Są to tzw rezystory
dyfuzyjne ponieważ domieszkowanie tych obszaroacutew następuje w procesie dyfuzji domieszek
W każdym przypadku wartość rezystancji zależy od tzw rezystancji powierzchniowej
warstwy R oraz ilości kwadratoacutew wykonywanego rezystora wg zależności
R= n R (12)
gdzie n ndash to ilość kwadratoacutew z ktoacuterych można bdquozłożyćrdquo rezystor o danej długości
R ndash jest rezystancją danej warstwy o powierzchni kwadratu (nie zależy od wymiaru
kwadratu)
Rezystancja powierzchniowa warstwy bdquobazowejrdquo wynosi zwykle ok 200 co
pozwala wykonać rezystory w zakresie od 50 (cztery kwadraty połączone roacutewnolegle) do
20 k (100 kwadratoacutew połączonych szeregowo) W celu wytworzenia rezystoroacutew o mniejszej
rezystancji wykorzystuje się obszary domieszkowane emitera (5 ) Dla uzyskania
rezystoroacutew o większej rezystancji wykorzystuje się obszar bazowy z wkomponowanym
obszarem domieszkowanym emitera do wykonania tzw rezystora ściśniętego Woacutewczas
rezystor wykorzystuje obszar bazowy o zmniejszonym przekroju Przekroacutej poprzeczny
12
struktury rezystora bazowego pokazano na rys11a rezystora ściśniętego na rys11b a widok
z goacutery dwoacutech wybranych rezystoroacutew na rys11c Pokazane na zdjęciu (rys11c) to rezystory
bdquobazowerdquo R12 =10 k oraz R13=75 Widać że rezystor R13 jest bdquokroacutetki a szerokirdquo czyli
można powiedzieć że jest utworzony z kilku (ok 3) kwadratoacutew ułożonych roacutewnolegle
Wyraźnie widoczny obrys rezystoroacutew to granica obszaru dyfuzji domieszek utworzona
podczas wykonywania bazy tranzystoroacutew n-p-n
a) b)
c)
Rys11 Rezystory dyfuzyjne w układach
monolitycznych a) przekroacutej typowego
rezystora bazowego [4] b) przekroacutej rezystora
ściśniętego [4] c) zdjęcie widoku z goacutery
wybranych rezystoroacutew bazowych układu
uA709
322 Kondensatory
Kondensatory są rzadziej stosowane w monolitycznych układach scalonych Ich
pojemność jest proporcjonalna do powierzchni okładki tak jak w kondensatorach płasko-
roacutewnoległych czyli są one bdquonie ekonomicznerdquo jeśli chodzi o wykorzystanie powierzchni
układu Pojemność może być realizowana jako
kondensator dielektryczny (tlenkowy)
kondensator wykorzystujący pojemność złącza p-n
Te dwie pojemności roacuteżnią się diametralnie W pierwszym przypadku kondensator
realizowany jest wg schematu przedstawionego na rys 12a W tym kondensatorze okładką
dolną (B) jest poacutełprzewodnik typu-n+ o dużej przewodności (np warstwa emiterowa)
dielektrykiem jest tlenek SiO2 a okładką goacuterną (A) jest rozwinięta ścieżka metalizacji układu
Zaletę takiego kondensatora jest niezależność jego pojemności od przyłożonego do okładki
napięcia oraz brak upływności W przypadku zastosowania diody jako pojemności wymagana
jest stała polaryzacja zaporowa złącza dla uzyskania stałej pojemności Wadą jest upływność
takiego kondensatora (prąd nasycenia złącza p-n)
13
a) b)
Rys12 Przekroacutej kondensatoroacutew stosowanych w układach monolitycznych
a) kondensator dielektryczny b) złącze p-n jako kondensator [4]
323 Skrzyżowanie ścieżek
Skrzyżowanie ścieżek jest pomocniczym elementem układu i ma zastosowanie
w technologii bardziej rozbudowanych układoacutew kiedy trudne staje się połączenie elementoacutew
przy pomocy ciągłej ścieżki metalizacji Skrzyżowania możemy zrealizować jako
metalizację wielopoziomową
przejście przez podłoże (warstwę emiterową)
W metalizacji wielopoziomowej kolejne warstwy wykonuje się naparowując metal
w proacuteżni i oddzielając je rozpylanym tlenkiem SiO2 tworząc mostek na tym dielektryku
Wymaga to dodatkowych procesoacutew technologicznych Łatwiejsza metoda to wykonanie
skrzyżowania przez warstwę domieszkowaną emitera co pokazano na rys13 Jak widać
na rys13a w miejscu skrzyżowania jedna ze ścieżek jest połączona pod tlenkiem SiO2
obszarem domieszkowanym typu-n+ emitera Na rys13b pokazano przykładowe zdjęcie
takiego skrzyżowania zrealizowanego w scalonym układzie bipolarnym bramki TTL
a) b)
Rys13 Skrzyżowanie ścieżek metalizacji Al przez podłoże Si z wykorzystaniem silnie
domieszkowanej warstwy emiterowej a) przekroacutej poprzeczny [4] b) zdjęcie
widoku z goacutery ndash widoczne są przez przeźroczystą warstwę SiO2 obszary
bdquookienrdquo pozostałe po procesach dyfuzji domieszek do podłoża
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego
7
UUNN
NN
qd D
da
daSi
02
(11)
przy czym UDlt0 (przyjmujemy że wartość napięcia dyfuzyjnego UD = - 065 V)
Do wzoru podstawia się wartość U dla kierunku zaporowego ze znakiem -
Należy obliczyć wartości pojemności C dla polaryzacji U = 0 V oraz U = -10 V
23 Pomiar rezystancji podłoża Rp
Wartość rezystancji podłoża można wyznaczyć mierząc charakterystykę prądowo-
napięciową złącza wyspa-podłoże spolaryzowanego w kierunku przewodzenia Po wykonaniu
wykresu I=f(U) w układzie wspoacutełrzędnych lin-log należy wyznaczyć parametry rzeczywistego
złącza p-n rezystancję Rs prąd nasycenia Is i wspoacutełczynnik doskonałości złącza n
3 Konstrukcja elementoacutew składowych bipolarnych układoacutew scalonych
Planarna technologia krzemowa elementoacutew składowych monolitycznych układoacutew
scalonych bazuje na selektywnym wytwarzaniu w podłożu krzemowym odpowiednich
obszaroacutew Obszary te mogą roacuteżnić się typem przewodnictwa oraz poziomem
domieszkowania Wytworzone obszary mogą stanowić elementy bierne (rezystory
kondensatory) lub czynne (tranzystory diody) układu scalonego W typowych układach
bipolarnych podłożem wyjściowym jest płytka krzemowa typu-p z warstwą epitaksjalną
typu-n W kolejnych procesach utleniania powierzchni płytki fotolitografii i dyfuzji
domieszek wytwarza się poszczegoacutelne elementy układu Na końcu definiuje się topografię
metalizacji czyli sieć ścieżek metalicznych (np Al Au) tworzących wzajemne połączenia
elektryczne elementoacutew i wyprowadzenia do kontaktoacutew zewnętrznych Należy zaznaczyć
że powierzchnia układu jest pokryta cienką warstwą izolacyjną z dwutlenku krzemu
SiO2 ktoacutery jest przeźroczysty dla fal widzialnych Stąd patrząc na układ widzimy
granice obszaroacutew poszczegoacutelnych dyfuzji domieszek (granice złącz p-n) wykonanych
wcześniej a teraz znajdujących się pod warstwą SiO2 Oczywiście ścieżki metalizacji
leżą na tej niewidocznej warstwie izolacyjnej i łączą się z poszczegoacutelnymi obszarami
elementoacutew tylko w ściśle zdefiniowanych tzw oknach kontaktowych (np kontakt
emitera kontakt bazy kontakt kolektora kontakty rezystoroacutew)
W dalszych punktach przedstawione zostaną typowe konstrukcje wybranych
elementoacutew czynnych i biernych układu scalonego Rozwiązania konstrukcyjnych elementoacutew
składowych układu scalonego przedstawiona zostanie na przykładzie układu wzmacniacza
operacyjnego A 709 firmy Fairchild Fotografię tego układu wykonana z mikroskopem
optycznym przedstawia rys7a a schemat elektryczny tego wzmacniacza widzimy na rys7b
8
Układ ma 8 doprowadzeń (drut Au lub Al o średnicy 50 microm) z poacutel kontaktowych do
wyprowadzeń (noacuteżek) obudowy składa się z piętnastu tranzystoroacutew i piętnastu rezystoroacutew
W układzie występują zaroacutewno tranzystory npn jak i pnp W tym układzie nie występują inne
elementy ale w nowszych typach wzmacniaczy operacyjnych jak np microA 741 znajdują się
także kondensatory
Rys 7a Zdjęcie układu scalonego wzmacniacza operacyjnego A 709
Rys7b Schemat elektryczny wzmacniacza operacyjnego A 709
9
31 Elementy czynne w układach scalonych
311 Tranzystory npn
Pojedynczy tranzystor npn wykonany jest w izolowanej wyspie typu n (kolektor -
C) w ktoacuterej w procesie dyfuzji wykonuje się najpierw obszar typu p (bazę - B) a w nim
kolejną dyfuzją obszar typu n (emiter - E) Najczęściej stosowane w bipolarnych układach
scalonych są tranzystory npn i cała konstrukcja układu jest projektowana pod kątem ich
optymalnej pracy W przykładowym układzie microA709 jest ich dwanaście Wśroacuted nich są takie
tranzystory ktoacutere są odizolowane od pozostałych (leżą na wydzielonych wyspach) oraz takie
ktoacutere mają wspoacutelny kolektor czyli leżą na wspoacutelnej wyspie Przykładem tych pierwszych są
tranzystory T1 lub T2 natomiast drugim przykładem jest np para tranzystoroacutew T4 i T6
Przekroacutej poprzeczny oraz zdjęcie widoku z goacutery tranzystora na pojedynczej wyspie
przedstawiono odpowiednio na rys8 a i rys 8 b Na zdjęciu zdefiniowano kontakty emitera
bazy i kolektora Na rys8 c pokazano zdjęcie widoku z goacutery tranzystoroacutew T4 i T6
umieszczone na wspoacutelnej wyspie z oznaczeniem ich kontaktoacutew
a) c)
b)
Rys8 Tranzystory npn a) Przekroacutej poprzeczny
tranzystora n-p-n leżącego na izolowanej wyspie [4]
b) zdjęcie widoku z goacutery tranzystora npn leżącego na
izolowanej wyspie c) zdjęcie widoku z goacutery dwoacutech
tranzystoroacutew npn leżących na wspoacutelnej wyspie
312 Tranzystory pnp
Rzadziej stosowane w układach są tranzystory typu pnp Wytworzenie ich nie
wymaga zastosowania dodatkowych operacji technologicznych - są wytwarzane roacutewnolegle
z obszarami tranzystoroacutew npn - a jedynie odpowiedniej konfiguracji tych obszaroacutew
Tranzystor typu pnp może być wytworzony w dwoacutech wersjach
tranzystora podłożowego (substrate transistor)
tranzystora bocznego (lateral transistor)
10
W tranzystorze podłożowym podłoże jest kolektorem warstwa wyspy typu-n jest bazą
(w tranzystorze npn jest kolektorem) a warstwa typu p jest emiterem (w tranzystorze npn jest
ona bazą) Taki tranzystor ma kolektor podłączony na stałe do niskiego bieguna zasilacza
Tranzystorem podłożowym w układzie microA709 jest tranzystor T13 Przekroacutej poprzeczny
i zdjęcie widoku z goacutery tranzystora podłożowego przedstawia rys9 Tranzystor T13 tworzy
parę komplementarną z tranzystorem npn T14 Jest to typowy układ stopnia wyjściowego we
wzmacniaczu operacyjnym Jak można zauważyć wzmacniacz operacyjny ma zasilanie
symetryczne +UCC ndash UEE względem masy układu i stąd zastosowanie w tym miejscu
tranzystora podłożowego pnp
a)
Rys9 Tranzystor pnp podłożowy a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
Przykładem tranzystora bocznego w układzie microA709 jest tranzystor T9 ktoacutery musi
mieć kolektor odizolowany Konstrukcja tranzystora bocznego (jak wynika z nazwy) to układ
obszaroacutew typu p wytworzonych w wyspie typu n Odpowiednie obszary typu p stanowią
obszary kolektora i emitera a wyspa typu n w ktoacuterej te obszary wytworzono stanowi bazę
tranzystora Przekroacutej poprzeczny bocznego tranzystora pnp oraz zdjęcie widoku z goacutery
tranzystora T9 przedstawia rys10
a) b)
Rys10 Tranzystor pnp boczny a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
313 Diody
W układzie microA709 nie ma pojedynczych struktur diodowych ale oczywiście nie ma
najmniejszego problemu aby wykonać ten element w technologii bipolarnej Można
wykorzystać złącze kolektor-baza lub baza-emiter tranzystora n-p-n Pierwsze rozwiązanie
11
umożliwia uzyskanie diody o wyższym napięciu przebicia kosztem czasu przełączania drugie
diody z kroacutetkim czasem przełączania kosztem niższego napięcia przebicia W układach
bipolarnych możliwe jest roacutewnież wykonanie diod Schottkyrsquoego czyli struktur złączowych
metal-poacutełprzewodnik typu-n
32 Elementy bierne w układach scalonych
Elementami biernymi w układach scalonych są rezystory kondensatory oraz cewki
indukcyjne Dalej przedstawione zostaną konstrukcje tych elementoacutew przy czym na początku
trzeba stwierdzić że w typowej technologii bipolarnej cewki indukcyjne dla układoacutew średniej
częstotliwości nie są stosowane Zapewnienie odpowiedniej wartości indukcyjności
wymagałoby przeznaczenia na cewkę dużej powierzchni czipa a dobroć takiej cewki
planarnej jest niewielka Struktury cewek wykonanych w układach scalonych jako spirali
ścieżki metalizacji są czasem stosowane w układach mikrofalowych (fgt1 GHz) w ktoacuterych
wystarcza niewielka wartość indukcyjność (kilka nH) W związku z tym w układach
bipolarnych przeznaczonych do pracy w zakresie częstotliwości radiowych i w układach
cyfrowych gama elementoacutew biernych ograniczona jest do rezystoroacutew i kondensatoroacutew
321 Rezystory
Rezystory w układach scalonych wytwarza się wykorzystując w zależności od
wymagań warstwy domieszkowane bazy lub emitera tranzystora n-p-n Są to tzw rezystory
dyfuzyjne ponieważ domieszkowanie tych obszaroacutew następuje w procesie dyfuzji domieszek
W każdym przypadku wartość rezystancji zależy od tzw rezystancji powierzchniowej
warstwy R oraz ilości kwadratoacutew wykonywanego rezystora wg zależności
R= n R (12)
gdzie n ndash to ilość kwadratoacutew z ktoacuterych można bdquozłożyćrdquo rezystor o danej długości
R ndash jest rezystancją danej warstwy o powierzchni kwadratu (nie zależy od wymiaru
kwadratu)
Rezystancja powierzchniowa warstwy bdquobazowejrdquo wynosi zwykle ok 200 co
pozwala wykonać rezystory w zakresie od 50 (cztery kwadraty połączone roacutewnolegle) do
20 k (100 kwadratoacutew połączonych szeregowo) W celu wytworzenia rezystoroacutew o mniejszej
rezystancji wykorzystuje się obszary domieszkowane emitera (5 ) Dla uzyskania
rezystoroacutew o większej rezystancji wykorzystuje się obszar bazowy z wkomponowanym
obszarem domieszkowanym emitera do wykonania tzw rezystora ściśniętego Woacutewczas
rezystor wykorzystuje obszar bazowy o zmniejszonym przekroju Przekroacutej poprzeczny
12
struktury rezystora bazowego pokazano na rys11a rezystora ściśniętego na rys11b a widok
z goacutery dwoacutech wybranych rezystoroacutew na rys11c Pokazane na zdjęciu (rys11c) to rezystory
bdquobazowerdquo R12 =10 k oraz R13=75 Widać że rezystor R13 jest bdquokroacutetki a szerokirdquo czyli
można powiedzieć że jest utworzony z kilku (ok 3) kwadratoacutew ułożonych roacutewnolegle
Wyraźnie widoczny obrys rezystoroacutew to granica obszaru dyfuzji domieszek utworzona
podczas wykonywania bazy tranzystoroacutew n-p-n
a) b)
c)
Rys11 Rezystory dyfuzyjne w układach
monolitycznych a) przekroacutej typowego
rezystora bazowego [4] b) przekroacutej rezystora
ściśniętego [4] c) zdjęcie widoku z goacutery
wybranych rezystoroacutew bazowych układu
uA709
322 Kondensatory
Kondensatory są rzadziej stosowane w monolitycznych układach scalonych Ich
pojemność jest proporcjonalna do powierzchni okładki tak jak w kondensatorach płasko-
roacutewnoległych czyli są one bdquonie ekonomicznerdquo jeśli chodzi o wykorzystanie powierzchni
układu Pojemność może być realizowana jako
kondensator dielektryczny (tlenkowy)
kondensator wykorzystujący pojemność złącza p-n
Te dwie pojemności roacuteżnią się diametralnie W pierwszym przypadku kondensator
realizowany jest wg schematu przedstawionego na rys 12a W tym kondensatorze okładką
dolną (B) jest poacutełprzewodnik typu-n+ o dużej przewodności (np warstwa emiterowa)
dielektrykiem jest tlenek SiO2 a okładką goacuterną (A) jest rozwinięta ścieżka metalizacji układu
Zaletę takiego kondensatora jest niezależność jego pojemności od przyłożonego do okładki
napięcia oraz brak upływności W przypadku zastosowania diody jako pojemności wymagana
jest stała polaryzacja zaporowa złącza dla uzyskania stałej pojemności Wadą jest upływność
takiego kondensatora (prąd nasycenia złącza p-n)
13
a) b)
Rys12 Przekroacutej kondensatoroacutew stosowanych w układach monolitycznych
a) kondensator dielektryczny b) złącze p-n jako kondensator [4]
323 Skrzyżowanie ścieżek
Skrzyżowanie ścieżek jest pomocniczym elementem układu i ma zastosowanie
w technologii bardziej rozbudowanych układoacutew kiedy trudne staje się połączenie elementoacutew
przy pomocy ciągłej ścieżki metalizacji Skrzyżowania możemy zrealizować jako
metalizację wielopoziomową
przejście przez podłoże (warstwę emiterową)
W metalizacji wielopoziomowej kolejne warstwy wykonuje się naparowując metal
w proacuteżni i oddzielając je rozpylanym tlenkiem SiO2 tworząc mostek na tym dielektryku
Wymaga to dodatkowych procesoacutew technologicznych Łatwiejsza metoda to wykonanie
skrzyżowania przez warstwę domieszkowaną emitera co pokazano na rys13 Jak widać
na rys13a w miejscu skrzyżowania jedna ze ścieżek jest połączona pod tlenkiem SiO2
obszarem domieszkowanym typu-n+ emitera Na rys13b pokazano przykładowe zdjęcie
takiego skrzyżowania zrealizowanego w scalonym układzie bipolarnym bramki TTL
a) b)
Rys13 Skrzyżowanie ścieżek metalizacji Al przez podłoże Si z wykorzystaniem silnie
domieszkowanej warstwy emiterowej a) przekroacutej poprzeczny [4] b) zdjęcie
widoku z goacutery ndash widoczne są przez przeźroczystą warstwę SiO2 obszary
bdquookienrdquo pozostałe po procesach dyfuzji domieszek do podłoża
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego
8
Układ ma 8 doprowadzeń (drut Au lub Al o średnicy 50 microm) z poacutel kontaktowych do
wyprowadzeń (noacuteżek) obudowy składa się z piętnastu tranzystoroacutew i piętnastu rezystoroacutew
W układzie występują zaroacutewno tranzystory npn jak i pnp W tym układzie nie występują inne
elementy ale w nowszych typach wzmacniaczy operacyjnych jak np microA 741 znajdują się
także kondensatory
Rys 7a Zdjęcie układu scalonego wzmacniacza operacyjnego A 709
Rys7b Schemat elektryczny wzmacniacza operacyjnego A 709
9
31 Elementy czynne w układach scalonych
311 Tranzystory npn
Pojedynczy tranzystor npn wykonany jest w izolowanej wyspie typu n (kolektor -
C) w ktoacuterej w procesie dyfuzji wykonuje się najpierw obszar typu p (bazę - B) a w nim
kolejną dyfuzją obszar typu n (emiter - E) Najczęściej stosowane w bipolarnych układach
scalonych są tranzystory npn i cała konstrukcja układu jest projektowana pod kątem ich
optymalnej pracy W przykładowym układzie microA709 jest ich dwanaście Wśroacuted nich są takie
tranzystory ktoacutere są odizolowane od pozostałych (leżą na wydzielonych wyspach) oraz takie
ktoacutere mają wspoacutelny kolektor czyli leżą na wspoacutelnej wyspie Przykładem tych pierwszych są
tranzystory T1 lub T2 natomiast drugim przykładem jest np para tranzystoroacutew T4 i T6
Przekroacutej poprzeczny oraz zdjęcie widoku z goacutery tranzystora na pojedynczej wyspie
przedstawiono odpowiednio na rys8 a i rys 8 b Na zdjęciu zdefiniowano kontakty emitera
bazy i kolektora Na rys8 c pokazano zdjęcie widoku z goacutery tranzystoroacutew T4 i T6
umieszczone na wspoacutelnej wyspie z oznaczeniem ich kontaktoacutew
a) c)
b)
Rys8 Tranzystory npn a) Przekroacutej poprzeczny
tranzystora n-p-n leżącego na izolowanej wyspie [4]
b) zdjęcie widoku z goacutery tranzystora npn leżącego na
izolowanej wyspie c) zdjęcie widoku z goacutery dwoacutech
tranzystoroacutew npn leżących na wspoacutelnej wyspie
312 Tranzystory pnp
Rzadziej stosowane w układach są tranzystory typu pnp Wytworzenie ich nie
wymaga zastosowania dodatkowych operacji technologicznych - są wytwarzane roacutewnolegle
z obszarami tranzystoroacutew npn - a jedynie odpowiedniej konfiguracji tych obszaroacutew
Tranzystor typu pnp może być wytworzony w dwoacutech wersjach
tranzystora podłożowego (substrate transistor)
tranzystora bocznego (lateral transistor)
10
W tranzystorze podłożowym podłoże jest kolektorem warstwa wyspy typu-n jest bazą
(w tranzystorze npn jest kolektorem) a warstwa typu p jest emiterem (w tranzystorze npn jest
ona bazą) Taki tranzystor ma kolektor podłączony na stałe do niskiego bieguna zasilacza
Tranzystorem podłożowym w układzie microA709 jest tranzystor T13 Przekroacutej poprzeczny
i zdjęcie widoku z goacutery tranzystora podłożowego przedstawia rys9 Tranzystor T13 tworzy
parę komplementarną z tranzystorem npn T14 Jest to typowy układ stopnia wyjściowego we
wzmacniaczu operacyjnym Jak można zauważyć wzmacniacz operacyjny ma zasilanie
symetryczne +UCC ndash UEE względem masy układu i stąd zastosowanie w tym miejscu
tranzystora podłożowego pnp
a)
Rys9 Tranzystor pnp podłożowy a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
Przykładem tranzystora bocznego w układzie microA709 jest tranzystor T9 ktoacutery musi
mieć kolektor odizolowany Konstrukcja tranzystora bocznego (jak wynika z nazwy) to układ
obszaroacutew typu p wytworzonych w wyspie typu n Odpowiednie obszary typu p stanowią
obszary kolektora i emitera a wyspa typu n w ktoacuterej te obszary wytworzono stanowi bazę
tranzystora Przekroacutej poprzeczny bocznego tranzystora pnp oraz zdjęcie widoku z goacutery
tranzystora T9 przedstawia rys10
a) b)
Rys10 Tranzystor pnp boczny a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
313 Diody
W układzie microA709 nie ma pojedynczych struktur diodowych ale oczywiście nie ma
najmniejszego problemu aby wykonać ten element w technologii bipolarnej Można
wykorzystać złącze kolektor-baza lub baza-emiter tranzystora n-p-n Pierwsze rozwiązanie
11
umożliwia uzyskanie diody o wyższym napięciu przebicia kosztem czasu przełączania drugie
diody z kroacutetkim czasem przełączania kosztem niższego napięcia przebicia W układach
bipolarnych możliwe jest roacutewnież wykonanie diod Schottkyrsquoego czyli struktur złączowych
metal-poacutełprzewodnik typu-n
32 Elementy bierne w układach scalonych
Elementami biernymi w układach scalonych są rezystory kondensatory oraz cewki
indukcyjne Dalej przedstawione zostaną konstrukcje tych elementoacutew przy czym na początku
trzeba stwierdzić że w typowej technologii bipolarnej cewki indukcyjne dla układoacutew średniej
częstotliwości nie są stosowane Zapewnienie odpowiedniej wartości indukcyjności
wymagałoby przeznaczenia na cewkę dużej powierzchni czipa a dobroć takiej cewki
planarnej jest niewielka Struktury cewek wykonanych w układach scalonych jako spirali
ścieżki metalizacji są czasem stosowane w układach mikrofalowych (fgt1 GHz) w ktoacuterych
wystarcza niewielka wartość indukcyjność (kilka nH) W związku z tym w układach
bipolarnych przeznaczonych do pracy w zakresie częstotliwości radiowych i w układach
cyfrowych gama elementoacutew biernych ograniczona jest do rezystoroacutew i kondensatoroacutew
321 Rezystory
Rezystory w układach scalonych wytwarza się wykorzystując w zależności od
wymagań warstwy domieszkowane bazy lub emitera tranzystora n-p-n Są to tzw rezystory
dyfuzyjne ponieważ domieszkowanie tych obszaroacutew następuje w procesie dyfuzji domieszek
W każdym przypadku wartość rezystancji zależy od tzw rezystancji powierzchniowej
warstwy R oraz ilości kwadratoacutew wykonywanego rezystora wg zależności
R= n R (12)
gdzie n ndash to ilość kwadratoacutew z ktoacuterych można bdquozłożyćrdquo rezystor o danej długości
R ndash jest rezystancją danej warstwy o powierzchni kwadratu (nie zależy od wymiaru
kwadratu)
Rezystancja powierzchniowa warstwy bdquobazowejrdquo wynosi zwykle ok 200 co
pozwala wykonać rezystory w zakresie od 50 (cztery kwadraty połączone roacutewnolegle) do
20 k (100 kwadratoacutew połączonych szeregowo) W celu wytworzenia rezystoroacutew o mniejszej
rezystancji wykorzystuje się obszary domieszkowane emitera (5 ) Dla uzyskania
rezystoroacutew o większej rezystancji wykorzystuje się obszar bazowy z wkomponowanym
obszarem domieszkowanym emitera do wykonania tzw rezystora ściśniętego Woacutewczas
rezystor wykorzystuje obszar bazowy o zmniejszonym przekroju Przekroacutej poprzeczny
12
struktury rezystora bazowego pokazano na rys11a rezystora ściśniętego na rys11b a widok
z goacutery dwoacutech wybranych rezystoroacutew na rys11c Pokazane na zdjęciu (rys11c) to rezystory
bdquobazowerdquo R12 =10 k oraz R13=75 Widać że rezystor R13 jest bdquokroacutetki a szerokirdquo czyli
można powiedzieć że jest utworzony z kilku (ok 3) kwadratoacutew ułożonych roacutewnolegle
Wyraźnie widoczny obrys rezystoroacutew to granica obszaru dyfuzji domieszek utworzona
podczas wykonywania bazy tranzystoroacutew n-p-n
a) b)
c)
Rys11 Rezystory dyfuzyjne w układach
monolitycznych a) przekroacutej typowego
rezystora bazowego [4] b) przekroacutej rezystora
ściśniętego [4] c) zdjęcie widoku z goacutery
wybranych rezystoroacutew bazowych układu
uA709
322 Kondensatory
Kondensatory są rzadziej stosowane w monolitycznych układach scalonych Ich
pojemność jest proporcjonalna do powierzchni okładki tak jak w kondensatorach płasko-
roacutewnoległych czyli są one bdquonie ekonomicznerdquo jeśli chodzi o wykorzystanie powierzchni
układu Pojemność może być realizowana jako
kondensator dielektryczny (tlenkowy)
kondensator wykorzystujący pojemność złącza p-n
Te dwie pojemności roacuteżnią się diametralnie W pierwszym przypadku kondensator
realizowany jest wg schematu przedstawionego na rys 12a W tym kondensatorze okładką
dolną (B) jest poacutełprzewodnik typu-n+ o dużej przewodności (np warstwa emiterowa)
dielektrykiem jest tlenek SiO2 a okładką goacuterną (A) jest rozwinięta ścieżka metalizacji układu
Zaletę takiego kondensatora jest niezależność jego pojemności od przyłożonego do okładki
napięcia oraz brak upływności W przypadku zastosowania diody jako pojemności wymagana
jest stała polaryzacja zaporowa złącza dla uzyskania stałej pojemności Wadą jest upływność
takiego kondensatora (prąd nasycenia złącza p-n)
13
a) b)
Rys12 Przekroacutej kondensatoroacutew stosowanych w układach monolitycznych
a) kondensator dielektryczny b) złącze p-n jako kondensator [4]
323 Skrzyżowanie ścieżek
Skrzyżowanie ścieżek jest pomocniczym elementem układu i ma zastosowanie
w technologii bardziej rozbudowanych układoacutew kiedy trudne staje się połączenie elementoacutew
przy pomocy ciągłej ścieżki metalizacji Skrzyżowania możemy zrealizować jako
metalizację wielopoziomową
przejście przez podłoże (warstwę emiterową)
W metalizacji wielopoziomowej kolejne warstwy wykonuje się naparowując metal
w proacuteżni i oddzielając je rozpylanym tlenkiem SiO2 tworząc mostek na tym dielektryku
Wymaga to dodatkowych procesoacutew technologicznych Łatwiejsza metoda to wykonanie
skrzyżowania przez warstwę domieszkowaną emitera co pokazano na rys13 Jak widać
na rys13a w miejscu skrzyżowania jedna ze ścieżek jest połączona pod tlenkiem SiO2
obszarem domieszkowanym typu-n+ emitera Na rys13b pokazano przykładowe zdjęcie
takiego skrzyżowania zrealizowanego w scalonym układzie bipolarnym bramki TTL
a) b)
Rys13 Skrzyżowanie ścieżek metalizacji Al przez podłoże Si z wykorzystaniem silnie
domieszkowanej warstwy emiterowej a) przekroacutej poprzeczny [4] b) zdjęcie
widoku z goacutery ndash widoczne są przez przeźroczystą warstwę SiO2 obszary
bdquookienrdquo pozostałe po procesach dyfuzji domieszek do podłoża
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego
9
31 Elementy czynne w układach scalonych
311 Tranzystory npn
Pojedynczy tranzystor npn wykonany jest w izolowanej wyspie typu n (kolektor -
C) w ktoacuterej w procesie dyfuzji wykonuje się najpierw obszar typu p (bazę - B) a w nim
kolejną dyfuzją obszar typu n (emiter - E) Najczęściej stosowane w bipolarnych układach
scalonych są tranzystory npn i cała konstrukcja układu jest projektowana pod kątem ich
optymalnej pracy W przykładowym układzie microA709 jest ich dwanaście Wśroacuted nich są takie
tranzystory ktoacutere są odizolowane od pozostałych (leżą na wydzielonych wyspach) oraz takie
ktoacutere mają wspoacutelny kolektor czyli leżą na wspoacutelnej wyspie Przykładem tych pierwszych są
tranzystory T1 lub T2 natomiast drugim przykładem jest np para tranzystoroacutew T4 i T6
Przekroacutej poprzeczny oraz zdjęcie widoku z goacutery tranzystora na pojedynczej wyspie
przedstawiono odpowiednio na rys8 a i rys 8 b Na zdjęciu zdefiniowano kontakty emitera
bazy i kolektora Na rys8 c pokazano zdjęcie widoku z goacutery tranzystoroacutew T4 i T6
umieszczone na wspoacutelnej wyspie z oznaczeniem ich kontaktoacutew
a) c)
b)
Rys8 Tranzystory npn a) Przekroacutej poprzeczny
tranzystora n-p-n leżącego na izolowanej wyspie [4]
b) zdjęcie widoku z goacutery tranzystora npn leżącego na
izolowanej wyspie c) zdjęcie widoku z goacutery dwoacutech
tranzystoroacutew npn leżących na wspoacutelnej wyspie
312 Tranzystory pnp
Rzadziej stosowane w układach są tranzystory typu pnp Wytworzenie ich nie
wymaga zastosowania dodatkowych operacji technologicznych - są wytwarzane roacutewnolegle
z obszarami tranzystoroacutew npn - a jedynie odpowiedniej konfiguracji tych obszaroacutew
Tranzystor typu pnp może być wytworzony w dwoacutech wersjach
tranzystora podłożowego (substrate transistor)
tranzystora bocznego (lateral transistor)
10
W tranzystorze podłożowym podłoże jest kolektorem warstwa wyspy typu-n jest bazą
(w tranzystorze npn jest kolektorem) a warstwa typu p jest emiterem (w tranzystorze npn jest
ona bazą) Taki tranzystor ma kolektor podłączony na stałe do niskiego bieguna zasilacza
Tranzystorem podłożowym w układzie microA709 jest tranzystor T13 Przekroacutej poprzeczny
i zdjęcie widoku z goacutery tranzystora podłożowego przedstawia rys9 Tranzystor T13 tworzy
parę komplementarną z tranzystorem npn T14 Jest to typowy układ stopnia wyjściowego we
wzmacniaczu operacyjnym Jak można zauważyć wzmacniacz operacyjny ma zasilanie
symetryczne +UCC ndash UEE względem masy układu i stąd zastosowanie w tym miejscu
tranzystora podłożowego pnp
a)
Rys9 Tranzystor pnp podłożowy a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
Przykładem tranzystora bocznego w układzie microA709 jest tranzystor T9 ktoacutery musi
mieć kolektor odizolowany Konstrukcja tranzystora bocznego (jak wynika z nazwy) to układ
obszaroacutew typu p wytworzonych w wyspie typu n Odpowiednie obszary typu p stanowią
obszary kolektora i emitera a wyspa typu n w ktoacuterej te obszary wytworzono stanowi bazę
tranzystora Przekroacutej poprzeczny bocznego tranzystora pnp oraz zdjęcie widoku z goacutery
tranzystora T9 przedstawia rys10
a) b)
Rys10 Tranzystor pnp boczny a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
313 Diody
W układzie microA709 nie ma pojedynczych struktur diodowych ale oczywiście nie ma
najmniejszego problemu aby wykonać ten element w technologii bipolarnej Można
wykorzystać złącze kolektor-baza lub baza-emiter tranzystora n-p-n Pierwsze rozwiązanie
11
umożliwia uzyskanie diody o wyższym napięciu przebicia kosztem czasu przełączania drugie
diody z kroacutetkim czasem przełączania kosztem niższego napięcia przebicia W układach
bipolarnych możliwe jest roacutewnież wykonanie diod Schottkyrsquoego czyli struktur złączowych
metal-poacutełprzewodnik typu-n
32 Elementy bierne w układach scalonych
Elementami biernymi w układach scalonych są rezystory kondensatory oraz cewki
indukcyjne Dalej przedstawione zostaną konstrukcje tych elementoacutew przy czym na początku
trzeba stwierdzić że w typowej technologii bipolarnej cewki indukcyjne dla układoacutew średniej
częstotliwości nie są stosowane Zapewnienie odpowiedniej wartości indukcyjności
wymagałoby przeznaczenia na cewkę dużej powierzchni czipa a dobroć takiej cewki
planarnej jest niewielka Struktury cewek wykonanych w układach scalonych jako spirali
ścieżki metalizacji są czasem stosowane w układach mikrofalowych (fgt1 GHz) w ktoacuterych
wystarcza niewielka wartość indukcyjność (kilka nH) W związku z tym w układach
bipolarnych przeznaczonych do pracy w zakresie częstotliwości radiowych i w układach
cyfrowych gama elementoacutew biernych ograniczona jest do rezystoroacutew i kondensatoroacutew
321 Rezystory
Rezystory w układach scalonych wytwarza się wykorzystując w zależności od
wymagań warstwy domieszkowane bazy lub emitera tranzystora n-p-n Są to tzw rezystory
dyfuzyjne ponieważ domieszkowanie tych obszaroacutew następuje w procesie dyfuzji domieszek
W każdym przypadku wartość rezystancji zależy od tzw rezystancji powierzchniowej
warstwy R oraz ilości kwadratoacutew wykonywanego rezystora wg zależności
R= n R (12)
gdzie n ndash to ilość kwadratoacutew z ktoacuterych można bdquozłożyćrdquo rezystor o danej długości
R ndash jest rezystancją danej warstwy o powierzchni kwadratu (nie zależy od wymiaru
kwadratu)
Rezystancja powierzchniowa warstwy bdquobazowejrdquo wynosi zwykle ok 200 co
pozwala wykonać rezystory w zakresie od 50 (cztery kwadraty połączone roacutewnolegle) do
20 k (100 kwadratoacutew połączonych szeregowo) W celu wytworzenia rezystoroacutew o mniejszej
rezystancji wykorzystuje się obszary domieszkowane emitera (5 ) Dla uzyskania
rezystoroacutew o większej rezystancji wykorzystuje się obszar bazowy z wkomponowanym
obszarem domieszkowanym emitera do wykonania tzw rezystora ściśniętego Woacutewczas
rezystor wykorzystuje obszar bazowy o zmniejszonym przekroju Przekroacutej poprzeczny
12
struktury rezystora bazowego pokazano na rys11a rezystora ściśniętego na rys11b a widok
z goacutery dwoacutech wybranych rezystoroacutew na rys11c Pokazane na zdjęciu (rys11c) to rezystory
bdquobazowerdquo R12 =10 k oraz R13=75 Widać że rezystor R13 jest bdquokroacutetki a szerokirdquo czyli
można powiedzieć że jest utworzony z kilku (ok 3) kwadratoacutew ułożonych roacutewnolegle
Wyraźnie widoczny obrys rezystoroacutew to granica obszaru dyfuzji domieszek utworzona
podczas wykonywania bazy tranzystoroacutew n-p-n
a) b)
c)
Rys11 Rezystory dyfuzyjne w układach
monolitycznych a) przekroacutej typowego
rezystora bazowego [4] b) przekroacutej rezystora
ściśniętego [4] c) zdjęcie widoku z goacutery
wybranych rezystoroacutew bazowych układu
uA709
322 Kondensatory
Kondensatory są rzadziej stosowane w monolitycznych układach scalonych Ich
pojemność jest proporcjonalna do powierzchni okładki tak jak w kondensatorach płasko-
roacutewnoległych czyli są one bdquonie ekonomicznerdquo jeśli chodzi o wykorzystanie powierzchni
układu Pojemność może być realizowana jako
kondensator dielektryczny (tlenkowy)
kondensator wykorzystujący pojemność złącza p-n
Te dwie pojemności roacuteżnią się diametralnie W pierwszym przypadku kondensator
realizowany jest wg schematu przedstawionego na rys 12a W tym kondensatorze okładką
dolną (B) jest poacutełprzewodnik typu-n+ o dużej przewodności (np warstwa emiterowa)
dielektrykiem jest tlenek SiO2 a okładką goacuterną (A) jest rozwinięta ścieżka metalizacji układu
Zaletę takiego kondensatora jest niezależność jego pojemności od przyłożonego do okładki
napięcia oraz brak upływności W przypadku zastosowania diody jako pojemności wymagana
jest stała polaryzacja zaporowa złącza dla uzyskania stałej pojemności Wadą jest upływność
takiego kondensatora (prąd nasycenia złącza p-n)
13
a) b)
Rys12 Przekroacutej kondensatoroacutew stosowanych w układach monolitycznych
a) kondensator dielektryczny b) złącze p-n jako kondensator [4]
323 Skrzyżowanie ścieżek
Skrzyżowanie ścieżek jest pomocniczym elementem układu i ma zastosowanie
w technologii bardziej rozbudowanych układoacutew kiedy trudne staje się połączenie elementoacutew
przy pomocy ciągłej ścieżki metalizacji Skrzyżowania możemy zrealizować jako
metalizację wielopoziomową
przejście przez podłoże (warstwę emiterową)
W metalizacji wielopoziomowej kolejne warstwy wykonuje się naparowując metal
w proacuteżni i oddzielając je rozpylanym tlenkiem SiO2 tworząc mostek na tym dielektryku
Wymaga to dodatkowych procesoacutew technologicznych Łatwiejsza metoda to wykonanie
skrzyżowania przez warstwę domieszkowaną emitera co pokazano na rys13 Jak widać
na rys13a w miejscu skrzyżowania jedna ze ścieżek jest połączona pod tlenkiem SiO2
obszarem domieszkowanym typu-n+ emitera Na rys13b pokazano przykładowe zdjęcie
takiego skrzyżowania zrealizowanego w scalonym układzie bipolarnym bramki TTL
a) b)
Rys13 Skrzyżowanie ścieżek metalizacji Al przez podłoże Si z wykorzystaniem silnie
domieszkowanej warstwy emiterowej a) przekroacutej poprzeczny [4] b) zdjęcie
widoku z goacutery ndash widoczne są przez przeźroczystą warstwę SiO2 obszary
bdquookienrdquo pozostałe po procesach dyfuzji domieszek do podłoża
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego
10
W tranzystorze podłożowym podłoże jest kolektorem warstwa wyspy typu-n jest bazą
(w tranzystorze npn jest kolektorem) a warstwa typu p jest emiterem (w tranzystorze npn jest
ona bazą) Taki tranzystor ma kolektor podłączony na stałe do niskiego bieguna zasilacza
Tranzystorem podłożowym w układzie microA709 jest tranzystor T13 Przekroacutej poprzeczny
i zdjęcie widoku z goacutery tranzystora podłożowego przedstawia rys9 Tranzystor T13 tworzy
parę komplementarną z tranzystorem npn T14 Jest to typowy układ stopnia wyjściowego we
wzmacniaczu operacyjnym Jak można zauważyć wzmacniacz operacyjny ma zasilanie
symetryczne +UCC ndash UEE względem masy układu i stąd zastosowanie w tym miejscu
tranzystora podłożowego pnp
a)
Rys9 Tranzystor pnp podłożowy a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
Przykładem tranzystora bocznego w układzie microA709 jest tranzystor T9 ktoacutery musi
mieć kolektor odizolowany Konstrukcja tranzystora bocznego (jak wynika z nazwy) to układ
obszaroacutew typu p wytworzonych w wyspie typu n Odpowiednie obszary typu p stanowią
obszary kolektora i emitera a wyspa typu n w ktoacuterej te obszary wytworzono stanowi bazę
tranzystora Przekroacutej poprzeczny bocznego tranzystora pnp oraz zdjęcie widoku z goacutery
tranzystora T9 przedstawia rys10
a) b)
Rys10 Tranzystor pnp boczny a) przekroacutej poprzeczny [5] b) zdjęcie widoku z goacutery
313 Diody
W układzie microA709 nie ma pojedynczych struktur diodowych ale oczywiście nie ma
najmniejszego problemu aby wykonać ten element w technologii bipolarnej Można
wykorzystać złącze kolektor-baza lub baza-emiter tranzystora n-p-n Pierwsze rozwiązanie
11
umożliwia uzyskanie diody o wyższym napięciu przebicia kosztem czasu przełączania drugie
diody z kroacutetkim czasem przełączania kosztem niższego napięcia przebicia W układach
bipolarnych możliwe jest roacutewnież wykonanie diod Schottkyrsquoego czyli struktur złączowych
metal-poacutełprzewodnik typu-n
32 Elementy bierne w układach scalonych
Elementami biernymi w układach scalonych są rezystory kondensatory oraz cewki
indukcyjne Dalej przedstawione zostaną konstrukcje tych elementoacutew przy czym na początku
trzeba stwierdzić że w typowej technologii bipolarnej cewki indukcyjne dla układoacutew średniej
częstotliwości nie są stosowane Zapewnienie odpowiedniej wartości indukcyjności
wymagałoby przeznaczenia na cewkę dużej powierzchni czipa a dobroć takiej cewki
planarnej jest niewielka Struktury cewek wykonanych w układach scalonych jako spirali
ścieżki metalizacji są czasem stosowane w układach mikrofalowych (fgt1 GHz) w ktoacuterych
wystarcza niewielka wartość indukcyjność (kilka nH) W związku z tym w układach
bipolarnych przeznaczonych do pracy w zakresie częstotliwości radiowych i w układach
cyfrowych gama elementoacutew biernych ograniczona jest do rezystoroacutew i kondensatoroacutew
321 Rezystory
Rezystory w układach scalonych wytwarza się wykorzystując w zależności od
wymagań warstwy domieszkowane bazy lub emitera tranzystora n-p-n Są to tzw rezystory
dyfuzyjne ponieważ domieszkowanie tych obszaroacutew następuje w procesie dyfuzji domieszek
W każdym przypadku wartość rezystancji zależy od tzw rezystancji powierzchniowej
warstwy R oraz ilości kwadratoacutew wykonywanego rezystora wg zależności
R= n R (12)
gdzie n ndash to ilość kwadratoacutew z ktoacuterych można bdquozłożyćrdquo rezystor o danej długości
R ndash jest rezystancją danej warstwy o powierzchni kwadratu (nie zależy od wymiaru
kwadratu)
Rezystancja powierzchniowa warstwy bdquobazowejrdquo wynosi zwykle ok 200 co
pozwala wykonać rezystory w zakresie od 50 (cztery kwadraty połączone roacutewnolegle) do
20 k (100 kwadratoacutew połączonych szeregowo) W celu wytworzenia rezystoroacutew o mniejszej
rezystancji wykorzystuje się obszary domieszkowane emitera (5 ) Dla uzyskania
rezystoroacutew o większej rezystancji wykorzystuje się obszar bazowy z wkomponowanym
obszarem domieszkowanym emitera do wykonania tzw rezystora ściśniętego Woacutewczas
rezystor wykorzystuje obszar bazowy o zmniejszonym przekroju Przekroacutej poprzeczny
12
struktury rezystora bazowego pokazano na rys11a rezystora ściśniętego na rys11b a widok
z goacutery dwoacutech wybranych rezystoroacutew na rys11c Pokazane na zdjęciu (rys11c) to rezystory
bdquobazowerdquo R12 =10 k oraz R13=75 Widać że rezystor R13 jest bdquokroacutetki a szerokirdquo czyli
można powiedzieć że jest utworzony z kilku (ok 3) kwadratoacutew ułożonych roacutewnolegle
Wyraźnie widoczny obrys rezystoroacutew to granica obszaru dyfuzji domieszek utworzona
podczas wykonywania bazy tranzystoroacutew n-p-n
a) b)
c)
Rys11 Rezystory dyfuzyjne w układach
monolitycznych a) przekroacutej typowego
rezystora bazowego [4] b) przekroacutej rezystora
ściśniętego [4] c) zdjęcie widoku z goacutery
wybranych rezystoroacutew bazowych układu
uA709
322 Kondensatory
Kondensatory są rzadziej stosowane w monolitycznych układach scalonych Ich
pojemność jest proporcjonalna do powierzchni okładki tak jak w kondensatorach płasko-
roacutewnoległych czyli są one bdquonie ekonomicznerdquo jeśli chodzi o wykorzystanie powierzchni
układu Pojemność może być realizowana jako
kondensator dielektryczny (tlenkowy)
kondensator wykorzystujący pojemność złącza p-n
Te dwie pojemności roacuteżnią się diametralnie W pierwszym przypadku kondensator
realizowany jest wg schematu przedstawionego na rys 12a W tym kondensatorze okładką
dolną (B) jest poacutełprzewodnik typu-n+ o dużej przewodności (np warstwa emiterowa)
dielektrykiem jest tlenek SiO2 a okładką goacuterną (A) jest rozwinięta ścieżka metalizacji układu
Zaletę takiego kondensatora jest niezależność jego pojemności od przyłożonego do okładki
napięcia oraz brak upływności W przypadku zastosowania diody jako pojemności wymagana
jest stała polaryzacja zaporowa złącza dla uzyskania stałej pojemności Wadą jest upływność
takiego kondensatora (prąd nasycenia złącza p-n)
13
a) b)
Rys12 Przekroacutej kondensatoroacutew stosowanych w układach monolitycznych
a) kondensator dielektryczny b) złącze p-n jako kondensator [4]
323 Skrzyżowanie ścieżek
Skrzyżowanie ścieżek jest pomocniczym elementem układu i ma zastosowanie
w technologii bardziej rozbudowanych układoacutew kiedy trudne staje się połączenie elementoacutew
przy pomocy ciągłej ścieżki metalizacji Skrzyżowania możemy zrealizować jako
metalizację wielopoziomową
przejście przez podłoże (warstwę emiterową)
W metalizacji wielopoziomowej kolejne warstwy wykonuje się naparowując metal
w proacuteżni i oddzielając je rozpylanym tlenkiem SiO2 tworząc mostek na tym dielektryku
Wymaga to dodatkowych procesoacutew technologicznych Łatwiejsza metoda to wykonanie
skrzyżowania przez warstwę domieszkowaną emitera co pokazano na rys13 Jak widać
na rys13a w miejscu skrzyżowania jedna ze ścieżek jest połączona pod tlenkiem SiO2
obszarem domieszkowanym typu-n+ emitera Na rys13b pokazano przykładowe zdjęcie
takiego skrzyżowania zrealizowanego w scalonym układzie bipolarnym bramki TTL
a) b)
Rys13 Skrzyżowanie ścieżek metalizacji Al przez podłoże Si z wykorzystaniem silnie
domieszkowanej warstwy emiterowej a) przekroacutej poprzeczny [4] b) zdjęcie
widoku z goacutery ndash widoczne są przez przeźroczystą warstwę SiO2 obszary
bdquookienrdquo pozostałe po procesach dyfuzji domieszek do podłoża
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego
11
umożliwia uzyskanie diody o wyższym napięciu przebicia kosztem czasu przełączania drugie
diody z kroacutetkim czasem przełączania kosztem niższego napięcia przebicia W układach
bipolarnych możliwe jest roacutewnież wykonanie diod Schottkyrsquoego czyli struktur złączowych
metal-poacutełprzewodnik typu-n
32 Elementy bierne w układach scalonych
Elementami biernymi w układach scalonych są rezystory kondensatory oraz cewki
indukcyjne Dalej przedstawione zostaną konstrukcje tych elementoacutew przy czym na początku
trzeba stwierdzić że w typowej technologii bipolarnej cewki indukcyjne dla układoacutew średniej
częstotliwości nie są stosowane Zapewnienie odpowiedniej wartości indukcyjności
wymagałoby przeznaczenia na cewkę dużej powierzchni czipa a dobroć takiej cewki
planarnej jest niewielka Struktury cewek wykonanych w układach scalonych jako spirali
ścieżki metalizacji są czasem stosowane w układach mikrofalowych (fgt1 GHz) w ktoacuterych
wystarcza niewielka wartość indukcyjność (kilka nH) W związku z tym w układach
bipolarnych przeznaczonych do pracy w zakresie częstotliwości radiowych i w układach
cyfrowych gama elementoacutew biernych ograniczona jest do rezystoroacutew i kondensatoroacutew
321 Rezystory
Rezystory w układach scalonych wytwarza się wykorzystując w zależności od
wymagań warstwy domieszkowane bazy lub emitera tranzystora n-p-n Są to tzw rezystory
dyfuzyjne ponieważ domieszkowanie tych obszaroacutew następuje w procesie dyfuzji domieszek
W każdym przypadku wartość rezystancji zależy od tzw rezystancji powierzchniowej
warstwy R oraz ilości kwadratoacutew wykonywanego rezystora wg zależności
R= n R (12)
gdzie n ndash to ilość kwadratoacutew z ktoacuterych można bdquozłożyćrdquo rezystor o danej długości
R ndash jest rezystancją danej warstwy o powierzchni kwadratu (nie zależy od wymiaru
kwadratu)
Rezystancja powierzchniowa warstwy bdquobazowejrdquo wynosi zwykle ok 200 co
pozwala wykonać rezystory w zakresie od 50 (cztery kwadraty połączone roacutewnolegle) do
20 k (100 kwadratoacutew połączonych szeregowo) W celu wytworzenia rezystoroacutew o mniejszej
rezystancji wykorzystuje się obszary domieszkowane emitera (5 ) Dla uzyskania
rezystoroacutew o większej rezystancji wykorzystuje się obszar bazowy z wkomponowanym
obszarem domieszkowanym emitera do wykonania tzw rezystora ściśniętego Woacutewczas
rezystor wykorzystuje obszar bazowy o zmniejszonym przekroju Przekroacutej poprzeczny
12
struktury rezystora bazowego pokazano na rys11a rezystora ściśniętego na rys11b a widok
z goacutery dwoacutech wybranych rezystoroacutew na rys11c Pokazane na zdjęciu (rys11c) to rezystory
bdquobazowerdquo R12 =10 k oraz R13=75 Widać że rezystor R13 jest bdquokroacutetki a szerokirdquo czyli
można powiedzieć że jest utworzony z kilku (ok 3) kwadratoacutew ułożonych roacutewnolegle
Wyraźnie widoczny obrys rezystoroacutew to granica obszaru dyfuzji domieszek utworzona
podczas wykonywania bazy tranzystoroacutew n-p-n
a) b)
c)
Rys11 Rezystory dyfuzyjne w układach
monolitycznych a) przekroacutej typowego
rezystora bazowego [4] b) przekroacutej rezystora
ściśniętego [4] c) zdjęcie widoku z goacutery
wybranych rezystoroacutew bazowych układu
uA709
322 Kondensatory
Kondensatory są rzadziej stosowane w monolitycznych układach scalonych Ich
pojemność jest proporcjonalna do powierzchni okładki tak jak w kondensatorach płasko-
roacutewnoległych czyli są one bdquonie ekonomicznerdquo jeśli chodzi o wykorzystanie powierzchni
układu Pojemność może być realizowana jako
kondensator dielektryczny (tlenkowy)
kondensator wykorzystujący pojemność złącza p-n
Te dwie pojemności roacuteżnią się diametralnie W pierwszym przypadku kondensator
realizowany jest wg schematu przedstawionego na rys 12a W tym kondensatorze okładką
dolną (B) jest poacutełprzewodnik typu-n+ o dużej przewodności (np warstwa emiterowa)
dielektrykiem jest tlenek SiO2 a okładką goacuterną (A) jest rozwinięta ścieżka metalizacji układu
Zaletę takiego kondensatora jest niezależność jego pojemności od przyłożonego do okładki
napięcia oraz brak upływności W przypadku zastosowania diody jako pojemności wymagana
jest stała polaryzacja zaporowa złącza dla uzyskania stałej pojemności Wadą jest upływność
takiego kondensatora (prąd nasycenia złącza p-n)
13
a) b)
Rys12 Przekroacutej kondensatoroacutew stosowanych w układach monolitycznych
a) kondensator dielektryczny b) złącze p-n jako kondensator [4]
323 Skrzyżowanie ścieżek
Skrzyżowanie ścieżek jest pomocniczym elementem układu i ma zastosowanie
w technologii bardziej rozbudowanych układoacutew kiedy trudne staje się połączenie elementoacutew
przy pomocy ciągłej ścieżki metalizacji Skrzyżowania możemy zrealizować jako
metalizację wielopoziomową
przejście przez podłoże (warstwę emiterową)
W metalizacji wielopoziomowej kolejne warstwy wykonuje się naparowując metal
w proacuteżni i oddzielając je rozpylanym tlenkiem SiO2 tworząc mostek na tym dielektryku
Wymaga to dodatkowych procesoacutew technologicznych Łatwiejsza metoda to wykonanie
skrzyżowania przez warstwę domieszkowaną emitera co pokazano na rys13 Jak widać
na rys13a w miejscu skrzyżowania jedna ze ścieżek jest połączona pod tlenkiem SiO2
obszarem domieszkowanym typu-n+ emitera Na rys13b pokazano przykładowe zdjęcie
takiego skrzyżowania zrealizowanego w scalonym układzie bipolarnym bramki TTL
a) b)
Rys13 Skrzyżowanie ścieżek metalizacji Al przez podłoże Si z wykorzystaniem silnie
domieszkowanej warstwy emiterowej a) przekroacutej poprzeczny [4] b) zdjęcie
widoku z goacutery ndash widoczne są przez przeźroczystą warstwę SiO2 obszary
bdquookienrdquo pozostałe po procesach dyfuzji domieszek do podłoża
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego
12
struktury rezystora bazowego pokazano na rys11a rezystora ściśniętego na rys11b a widok
z goacutery dwoacutech wybranych rezystoroacutew na rys11c Pokazane na zdjęciu (rys11c) to rezystory
bdquobazowerdquo R12 =10 k oraz R13=75 Widać że rezystor R13 jest bdquokroacutetki a szerokirdquo czyli
można powiedzieć że jest utworzony z kilku (ok 3) kwadratoacutew ułożonych roacutewnolegle
Wyraźnie widoczny obrys rezystoroacutew to granica obszaru dyfuzji domieszek utworzona
podczas wykonywania bazy tranzystoroacutew n-p-n
a) b)
c)
Rys11 Rezystory dyfuzyjne w układach
monolitycznych a) przekroacutej typowego
rezystora bazowego [4] b) przekroacutej rezystora
ściśniętego [4] c) zdjęcie widoku z goacutery
wybranych rezystoroacutew bazowych układu
uA709
322 Kondensatory
Kondensatory są rzadziej stosowane w monolitycznych układach scalonych Ich
pojemność jest proporcjonalna do powierzchni okładki tak jak w kondensatorach płasko-
roacutewnoległych czyli są one bdquonie ekonomicznerdquo jeśli chodzi o wykorzystanie powierzchni
układu Pojemność może być realizowana jako
kondensator dielektryczny (tlenkowy)
kondensator wykorzystujący pojemność złącza p-n
Te dwie pojemności roacuteżnią się diametralnie W pierwszym przypadku kondensator
realizowany jest wg schematu przedstawionego na rys 12a W tym kondensatorze okładką
dolną (B) jest poacutełprzewodnik typu-n+ o dużej przewodności (np warstwa emiterowa)
dielektrykiem jest tlenek SiO2 a okładką goacuterną (A) jest rozwinięta ścieżka metalizacji układu
Zaletę takiego kondensatora jest niezależność jego pojemności od przyłożonego do okładki
napięcia oraz brak upływności W przypadku zastosowania diody jako pojemności wymagana
jest stała polaryzacja zaporowa złącza dla uzyskania stałej pojemności Wadą jest upływność
takiego kondensatora (prąd nasycenia złącza p-n)
13
a) b)
Rys12 Przekroacutej kondensatoroacutew stosowanych w układach monolitycznych
a) kondensator dielektryczny b) złącze p-n jako kondensator [4]
323 Skrzyżowanie ścieżek
Skrzyżowanie ścieżek jest pomocniczym elementem układu i ma zastosowanie
w technologii bardziej rozbudowanych układoacutew kiedy trudne staje się połączenie elementoacutew
przy pomocy ciągłej ścieżki metalizacji Skrzyżowania możemy zrealizować jako
metalizację wielopoziomową
przejście przez podłoże (warstwę emiterową)
W metalizacji wielopoziomowej kolejne warstwy wykonuje się naparowując metal
w proacuteżni i oddzielając je rozpylanym tlenkiem SiO2 tworząc mostek na tym dielektryku
Wymaga to dodatkowych procesoacutew technologicznych Łatwiejsza metoda to wykonanie
skrzyżowania przez warstwę domieszkowaną emitera co pokazano na rys13 Jak widać
na rys13a w miejscu skrzyżowania jedna ze ścieżek jest połączona pod tlenkiem SiO2
obszarem domieszkowanym typu-n+ emitera Na rys13b pokazano przykładowe zdjęcie
takiego skrzyżowania zrealizowanego w scalonym układzie bipolarnym bramki TTL
a) b)
Rys13 Skrzyżowanie ścieżek metalizacji Al przez podłoże Si z wykorzystaniem silnie
domieszkowanej warstwy emiterowej a) przekroacutej poprzeczny [4] b) zdjęcie
widoku z goacutery ndash widoczne są przez przeźroczystą warstwę SiO2 obszary
bdquookienrdquo pozostałe po procesach dyfuzji domieszek do podłoża
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego
13
a) b)
Rys12 Przekroacutej kondensatoroacutew stosowanych w układach monolitycznych
a) kondensator dielektryczny b) złącze p-n jako kondensator [4]
323 Skrzyżowanie ścieżek
Skrzyżowanie ścieżek jest pomocniczym elementem układu i ma zastosowanie
w technologii bardziej rozbudowanych układoacutew kiedy trudne staje się połączenie elementoacutew
przy pomocy ciągłej ścieżki metalizacji Skrzyżowania możemy zrealizować jako
metalizację wielopoziomową
przejście przez podłoże (warstwę emiterową)
W metalizacji wielopoziomowej kolejne warstwy wykonuje się naparowując metal
w proacuteżni i oddzielając je rozpylanym tlenkiem SiO2 tworząc mostek na tym dielektryku
Wymaga to dodatkowych procesoacutew technologicznych Łatwiejsza metoda to wykonanie
skrzyżowania przez warstwę domieszkowaną emitera co pokazano na rys13 Jak widać
na rys13a w miejscu skrzyżowania jedna ze ścieżek jest połączona pod tlenkiem SiO2
obszarem domieszkowanym typu-n+ emitera Na rys13b pokazano przykładowe zdjęcie
takiego skrzyżowania zrealizowanego w scalonym układzie bipolarnym bramki TTL
a) b)
Rys13 Skrzyżowanie ścieżek metalizacji Al przez podłoże Si z wykorzystaniem silnie
domieszkowanej warstwy emiterowej a) przekroacutej poprzeczny [4] b) zdjęcie
widoku z goacutery ndash widoczne są przez przeźroczystą warstwę SiO2 obszary
bdquookienrdquo pozostałe po procesach dyfuzji domieszek do podłoża
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego
14
4 Przebieg ćwiczenia
1 Zmierzyć charakterystykę prądowo napięciową I=f(U) w układzie przedstawionym
na rys14 i przedstawić ją w układzie wspoacutełrzędnych log - lin Z przebiegu otrzymanej
charakterystyki wyznaczyć parametry złącza wyspa-podłoże rezystancję szeregową
podłoża Rp oraz prąd nasycenia Is
Wykorzystujemy tranzystor T2 ktoacuterego emiter połączony jest z podłożem
Rys14 Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej
złącza wyspa-podłoże
2 Obliczyć wartości elementoacutew układu zastępczego (Rp Ri C) izolacji złączowej
przedstawionego na rys 3
Na =helliphelliphelliphelliphellip Nd =helliphelliphelliphelliphelliphellip
p =helliphelliphelliphelliphellip n =helliphelliphelliphelliphelliphellip
Is = helliphelliphellip Ig =helliphellip Ri= helliphelliphellip Rp =helliphelliphellip
CU=0V =helliphelliphelliphellip CU=-10V =helliphelliphellip
3 Na fotografii struktury wybranego układu scalonego ktoacuterą wraz z elektrycznym
schematem zastępczym studenci otrzymują od prowadzącego w czasie trwania zajęć
należy odszukać i oznaczyć elementy składowe tego układu Tak opisane zdjęcia
wraz ze schematem zastępczym należy załączyć do sprawozdania Wskazana jest
analiza przekroju struktury układu scalonego w miejscu zaznaczonym na fotografii
układu przez prowadzącego zajęcia
4 Przeprowadzić analizę topologii wybranego układy scalonego i narysować przekroacutej
poprzeczny zadanego przez prowadzącego elementu składowego układu scalonego