Введение
Существуют несколько разновидностей технологического изготовления интегральных микросхем (ИМС).
Гибридная технология – характеризуется тем, что пассивные элементы изготавливаются методом пленочной технологии. Основой является изоляционная пластина, на которую наносят резистивные изоляционные и проводниковые пленки. В результате получается конструкция в которой в качестве активных элементов используются бескорпусные диоды и транзисторы.
Тонкие пленки наносят методом вакуумного напыления либо другим методом. Толстые пленки наносят методом шелкографии, когда на нужные места подожки наносят обжигаемый слой пасты.
Недостаток: пониженная по сравнению с другими видами ИС плотность упаковки.
Преимущество: простота разработки и наладки новых функциональных схем (применяют для изготовления схем частного применения).
Гибридные ИС обладают рядом специфических особенностей, главная из которых является наличие навесных компонентов. Это связано с невозможностью промышленного изготовления пленочных транзисторов и прочих активных элементов. В ГИС реализуют высокие номиналы резисторов и конденсаторов, возможна их точная подгонка, что необходимо в измерительной и преобразовательной технике. Трудоемкость разработки ГИС значительно меньше, чем полупроводниковых ИС, технологическое оборудование для производства тонкопленочных структур, И особенно толстопленочных ИС дешевле.
Пленочная технология – характеризуется созданием пленочной ИС, имеющей подложку из диэлектрика (стекло, керамика и др.). Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки) и соединения между элементами, выполняются в виде различных пленок, нанесенных на подложку. Активные элементы не делаются пленочными, так не удалось добиться их хорошего качества. Таким образом, пленочные ИС содержат только пассивные элементы и представляют собой RC – цепи или какие либо другие схемы. Принято различать ИС тонкопленочные, у которых толщина пленок не более 2 мкм, и толстопленочные, у которых толщина пленок значительно больше. Подложки представляют собой диэлектрические пластины толщиной 0.5-1.0 мм, тщательно отшлифованные и отполированные.
Совмещенная технология – обладает преимуществом каждой из рассмотренных технологий и исключает свойственные им недостатки. Конструктивной основой является полупроводниковый кристалл в объеме которого формируются все активные элементы (транзисторы, диоды), пассивные элементы создаются методом вакуумного напыления пленок. Изолирующие области получают путем использования пленок SiO2 или с помощью p-n переходов.
Недостаток заключается в необходимости сочетания двух типов технологических процессов: диффузии примеси (активных элементов) и напыления для пассивных элементов, что приводит к возрастанию цены на изготовление ИС. Однако совмещенная технология позволяет получить высокую степень интеграции и представляет возможность выбора параметров пассивных элементов в широких пределах.
Полупроводниковая технология – характеризуется тем, что как активные, так и пассивные элементы схем выполняются внутри объема полупроводника, который и является основой интегральной схемы (ИС). Основным полупроводниковым материалом является кремний, который обладает рядом ценных свойств и за большей, чем у германия ширины запрещенной зоны позволяет получить активные элементы с меньшими обратными токами. Кремневые транзисторы обладают более высоким порогом отпирания, что повышает помехоустойчивость аналоговых и цифровых ИС.
Простота получения изолирующей поверхности достигается путем окисления исходной кремниевой пластинки и образование пленки двуокиси кремния. Эта пленка используется в качестве маски при проведении диффузии в отдельных областях кристалла, а также для создания изоляции между отдельными элементами схемы. Полупроводниковые ИС обеспечивают высокую степень интегрирования.
Стоимость элементов микросхемы, выполненной в интегральном исполнении по полупроводниковой технологии, в значительной степени определяется площадью, занимаемой ими на полупроводниковой пластине.
Номиналы элементов, имеющих дискретные прототипы, ограничены. Практически нецелесообразно использовать для массового производства ИС “чистые” резисторы с номиналом выше 50 кОм. Конденсаторы с емкостью, превышающей несколько сотен пикофарад, приходится применять в виде отдельных навесных элементов. Желаемые номиналы резисторов не могут иметь малые допуски, хотя отношение сопротивлений одинаковых по форме резисторов на одной пластине можно выдержать довольно точно (1…2%), причем их температурная зависимость будет одинакова. Все элементы полупроводниковой структуры связаны между собой паразитными емкостями и проводимостями, что обусловлено плотной упаковкой и несовершенством методов изоляции элементов.
Преимущества полупроводниковых ИМС перед гибридными таковы:
1. Более высокая надёжность вследствие меньшего числа контактных соединений, ограниченного количества используемых материалов, а также из-за того, что полупроводниковую ИМС можно изготовить только из монокристаллической, сверхчистой, полупроводниковой структуры;
2. Большая механическая прочность в результате меньших (примерно на порядок) размеров элементов;
3. Меньшая себестоимость изготовления полупроводниковых ИМС вследствие более эффективного использования преимуществ групповой технологии
В полупроводниковых ИС в качестве активных элементов могут использоваться биполярные и униполярные (полевые) интегральные структуры. Полупроводниковые ИС с биполярными транзисторами отличаются более высоким импульсным быстродействием (или рабочей частотой). Полупроводниковые цифровые ИС с униполярными транзисторами со структурой МОП отличаются наиболее высокой плотностью упаковки элементов и наименьшей стоимостью изготовления. Биполярные транзисторы увеличивают стабильность схемы в широком диапазоне температур, позволяют реализовать наибольшее быстродействие и создать схемы с лучшей нагрузочной способностью. Биполярные структуры более устойчивы к электрическим нагрузкам.
Технология униполярных транзисторов позволят добиваться лучших шумовых характеристик [1, стр. 23].
Анализ технического задания
1.1 Анализ технических требований
В этом параграфе рассмотрено расширенное техническое задание на проектирование полупроводниковой интегральной микросхемы генератора напряжения в интегральном исполнении, в котором раскрыто содержание следующих пунктов:
1. Наименование изделия: полупроводниковая интегральная микросхема усилителя с непосредственной связью.
2. Назначение: Усилителями с непосредственной связью называют электронные схемы, усиливающие переменное напряжение требуемой формы [2, стр. 293].
3. Комплектность: одна микросхема.
4. Технические параметры:
напряжение питания – 10В (постоянного тока).
5. Требования к конструкции:
внешний вид интегральной микросхемы должен отвечать современным требованиям к использованию в необходимом оборудовании;
габаритные размеры микросхемы мм;
6. Характеристики внешних воздействий:
окружающая температура +4010◦C; [12, стр. 384].
относительная влажность 30…85% при температуре +25◦C; [12, стр. 384].
вибрационные нагрузки с частотой 10-2000Гц и максимальным ускорением 10-20g; многократные удары длительностью 2-6мс с ускорением 75-150g;
линейные нагрузки (центробежные) с максимальным ускорением 25-2000g;
атмосферное давление – 85.0…106.7 кПа (650…80мм.рт.ст.). [12, стр. 384].
по климатическим условиям эксплуатации ей присваиваивается индекс – У(N) – умеренный.
7. Среднее время наработки до отказа должно быть не менее 15000 ч.
8. Тип производства – специализированный выпуск. [13, стр. 238].
1.2 Анализ электрической принципиальной схемы усилителя с непосредственной связью
Усилитель с непосредственной связью собран на транзисторах VT1, VT2 – прямой проводимости. Сигнал с входа поступает на разделительный конденсатор С1 и затем усиливаемый сигнал поступает на базу транзистора VT1. Смещенный сигнал поступает на RC фильтр, образующий отрицательную обратную связь. Далее сигнал поступает на транзистор VT2 и через фильтры включенные в коллекторную цепь поступает на выход схемы. Выходной сигнал снимают с резистора R7 и с общей точки минусовой шины.
1.3 Анализ элементной базы генератора напряжения
Параметры элементов схемы используемые при разработке ИМС приведены в таблицах 1.1 – 1.4.
Таблица 1.1 - Параметры транзистора КТ 805А [4, стр. 491,502,503,524]
Параметр
Обозначение
Единица
измерения
Данные о параметрах
Максимально допустимый постоянный
ток коллектора
Ikmax
А
5
Максимально допустимый импульсный
Ik, и max
A
8
Постоянное напряжение коллектор – эмиттер при определенном сопротивлении в цепи база - эмиттер
Uкэ R
В
100
Постоянное напряжение коллектор – эмиттер
Uкэ
Граничное напряжение биполярного транзистора
U кэо гр
160
Сопротивление перехода база - эмиттер
Rбэ
кОм
0.01
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора
Pк
Вт
30
Постоянный ток базы
Iб
2
Постоянный ток эмитера
Iэ
Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор - база
Uкб max
150
Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер - база
Uэб max
Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером: отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы
h21э
-
15
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером: частота, на которой h21э транзистора (включенного по схеме с общим эмиттером) равен единицы
fгр
МГц
10
Постоянный обратный ток коллектора
Iкбо
мА
60
Постоянный обратный ток коллектор – эмиттер при определенном сопротивлении в цепи база - эмиттер
Ikэr
Постоянный обратный ток эмитера
Iэбо
Напряжение насыщения коллектор - эмитер
Uкэ нас
2.5
Продолжение табл. 1.1
Напряжение насыщения база - эмиттер
Uбэ нас
Время рассеивания параметра биполярного транзистора
tрас
мкс
Время включения параметра биполярного транзистора
tвкл
tвыкл
Емкость коллекторного перехода. При увеличении обратного напряжения емкость уменьшается
Ск
пф
Емкость эмиттерного перехода. При увеличении обратного смещения на эмиттере емкость уменьшается.
Сэ
115
Температура p-n перехода
Тп
◦С
<100
Таблица 1.2 - Параметры транзистора КТ 502Е[4, стр.491,500,501,524]
мA
350
Ом
мВт
Коэффициент шума транзистора
Кш
Дб
1
90
40…120
Продолжение табл. 1.2
кГц
мкА
Постоянный обратный ток коллектора - эмиттера
Iкэо
Напряжение коллектор - база
Uкб
3
Ток коллектора
Iк
0.6
Ток перехода коллектор - эмитттер
50
Выходная полная проводимость
H22э
мкСм
20
<80
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7