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