ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

КОНСТРУКТИВНИЙ РОЗРАХУНОК ДИФУЗІЙНИХ РЕЗИСТОРІВ

Мета роботи: визначити геометричні розміри дифузійних резисторів, використовуючи його номінали та електрофізичні характеристики матеріалу.

Теоретичні відомості

Резистори біполярних інтегральних схем (ІС) зазвичай виготовляються на основі окремих дифузійних областей транзисторної структури.

На рис. 1.1 та рис. 1.2 подано структури дифузійних резисторів (ДР) на основі емітерної і базової дифузії. При використанні емітерного n⁺-шару формування ДР здійснюється в області, отриманій при проведенні ізолювальної дифузії (). Нормальна робота ДР забезпечується закритим станом переходів, що обмежують резистивні шари. При використанні емітерної дифузії закритий стан переходів визначається ізолювальним переходом
(рис. 1.1, а), а при використанні базової дифузії необхідно на колекторну область подати напругу закривання , що перевищує напругу на клемах резистора (рис. 1.1, б).

Лаб Лаб

а б

Рисунок 1.1 – Структура дифузійного резистора на основі емітерного

n⁺ шару (а) і базового n-шару (б)

Найбільше розповсюдження отримали ДР на основі базової дифузії. На рис. 1.2, а, б подано вигляд зверху і поперечний переріз ДР на основі базової дифузії [1].

Провідність каналу такого резистора довжиною визначається за виразом:

, (1.1)

де – провідність середньої частини (шириною );

– провідність бокових частин (обмежених чвертю кола радіусом , рис. 1.2, б). Значення і обчислюються за такими виразами [1]:

, (1.2)

, (1.3)

де і – координати точок бокових частин дифузійної області.

Провівши інтегрування в (1.3) при отримаємо

. (1.4)

Лаб Лаб

а б

Рисунок 1.2 – Топологія дифузійного резистора на основі -шару (а) і структура його каналу (б)

Опір середньої частини резистора (довжиною ) без врахування впливу бокових частин:

. (1.5)

Врахування впливу бокових частин ДР на його опір здійснюється введенням в ефективну ширину . В даному випадку вираз (1.5) запишеться так:

. (1.6)

Використовуючи (1.4) та провівши ряд перетворень, отримаємо

. (1.7)

З врахуванням числових значень та маємо

. (1.8)

Розрахунок геометричних розмірів ДР

Дифузійні резистори мають або прямолінійну (див. рис. 1.1), або зигзагоподібну структуру (див. рис. 1.2, а). Опір резистора визначається за виразом:

, (1.9)

де – число секцій;

0,55 – еквівалентне число квадратів, що визначає опір області згину – квадрата зі стороною ;

та – сталі, що залежать від форми і розмірів контактних площадок (рис. 1.3). Значення визначаються із номограм [1].

Лаб Лаб

а б

Лаб

Рисунок 1.3 – Топологія дифузійного резистора зигзагоподібної

форми (а), а також несиметричної (б) і симетричної (в)

контактних площадок

На рис. 1.4. подана залежність від геометричних розмірів контакту, зображеного на рис. 1.3, в при [1].

Дифузійний резистор на основі базової дифузії з опором 50 ÷ 500 Ом зазвичай має прямолінійну конфігурацію з контактами, поданими на
рис. 1.3, в; ДР з опором 500 ÷ 1000 Ом має прямолінійну конфігурацію, а із опором понад 1 кОм – конфігурацію із зламами. У двох останніх випадках можна використовувати контактні площадки, що подані на рис. 1.3, а, б. При великому опорі ДР набуває зигзагоподібної структури (меандр) з числом зламів .

Лаб

Рисунок 1.4 – Залежність коефіцієнта, що характеризує опір

контактних площадок, від їх геометричних розмірів

При використанні емітерного шару ДР мають подібну конфігурацію.

Важливим параметром резистора, що в більшості випадків визначає його характеристики, є

, (1.10)

де – мінімальна ефективна ширина ДР, що визначається технологічними обмеженнями;

– мінімальна ефективна ширина ДР, що визначається допустимою питомою потужністю розсіювання ();

– мінімальна ефективна ширина ДР, що забезпечує задану точність виготовлення.

Величина визначається мінімально допустимою шириною резистора. Значення визначаються з виразу для допустимої потужності (), яка повинна задовольняти нерівність:

, (1.11)

де Вт/мм² – допустима питома потужність.

З виразів (3.6) та (3.11) маємо [1]:

. (1.12)

Значення визначається з врахуванням технологічного розкиду значень , , :

. (1.13)

Враховуючи, що (розкид лінійних розмірів однаковий), маємо:

. (1.14)

Співвідношення (1.14) визначає відносний розкид опору резистора. З (1.14) маємо:

. (1.15)

При достатньо великому значенні і при з (1.4) мінімальний розкид:

Зазвичай .

Розкид відношення опорів та , що виготовлені в одному технологічному циклі, не залежить від розкиду опорів шарів і при найгіршому поєднанні відхилень визначається як:

. (1.16)

З (1.16) видно, що при і відносний розкид дорівнює подвоєному розкиду одного резистора.

У співвідношеннях (1.13) – (1.16) не враховано вплив контактів та згинів, що не вносить істотної похибки.

Температурна залежність опору ДР

Залежність опору від температури визначається температурними характеристиками рухливості і концентрації домішок [1].

В загальному вигляді

. (1.17)

На рис. 1.5 подано середні значення ТКО в діапазоні температур –60 ÷ +125 ^оС при різних питомих опорах шару бази. При емітерній дифузії ( Ом/кв) ТКО ≈ 0,02%/ ^оС.

Лаб

Рисунок 1.5 – Залежність ТКО від питомого опору дифузійного р-шару

Завдання

Розрахувати геометричні розміри ДР. Вихідними даними для розрахунків геометричних розмірів інтегральних напівпровідникових резисторів є: задане в принциповій електричній схемі номінальне значення опору R і допуск на нього ΔR; поверхневий опір легованого шару , на основі якого формується резистор; середнє значення потужності Р і максимально допустима питома потужність розсіювання (0,5 – 4,5 Вт/мм²),основні технологічні й конструктивні обмеження.

Примітка

Максимальний опір ДР на основі базової області приблизно дорівнює 60 кОм, якщо площа, відведена під резистор, не велика (не більше 15% від площі кристала). Відтворюваність номінальних значень опору зазвичай становить 15 ÷ 20% і залежить від ширини резистора (див. табл. 1.2). Відхилення від номіналів опорів резисторів, розташованих на одному кристалі, за рахунок неточностей технології мають однаковий знак, тому відношення опорів зберігається з високою точністю (див. табл. 1.2).

Аналогічно, температурний коефіцієнт відношення опорів малий порівняно із ТКО для окремого резистора [(1,5 ÷ 3)·10^-4 1/°С]. Цю особливість дифузійних резисторів враховують при розробці напівпровідникових ІМС (див. табл. 1.3 та табл. 1.4).

На основі емітерної області формуються резистори малих номіналів
[3 ÷ 100 Ом із ТКО = (1 ÷ 2)·10^-4 1/°С], оскільки значення емітерного шару невелике (табл. 1.1) [1 – 5] .

Таблиця 1.1 – Параметри областей інтегрального транзистора типу п-р-п

Найменування області	Концентрація домішки N, см^-3	Товщина шару d, мкм	Питомий об'ємний опір матеріалу , Ом·см	Питомий поверхневий опір шару , Ом/кв⁪
Підкладка р-типу	1,5·10¹⁵	200 ÷ 400	10	‒
Прихований n⁺- шар	‒	2,5 ÷ 10	‒	10 ÷ 30
Колекторна n-область	10¹⁶	2,5 ÷ 10	0,15 ÷ 5,0	‒
Базова p-область	5·10¹⁸	1,5 ÷ 2,5	‒	100 ÷ 300
Емітерна n+- область	10²¹	0,5 ÷ 2,0	‒	2 ÷ 15
Ізолююча область	‒	3,5 ÷ 12	‒	6 ÷10
Плівка окислу кремнію	‒	0,3 ÷ 0,6	‒	‒
Металева плівка (алюміній)	‒	0,6 ÷ 1,0	1,7÷10^-6	0,06 ÷ 0,1

Примітка. N ‒ об'ємна концентрація домішки для підкладки й колекторної області та поверхнева концентрація домішки для емітерної і базової областей.

Таблиця 1.2 – Точність виготовлення дифузійних резисторів на основі базової області й відношення їх опорів

Ширина резистора, мкм

Точність відтворення номіналу опору, %

Точність відношення опорів, %

1:1

1:5

0,5

1,5

Таблиця 1.3 – Характеристики інтегральних резисторів

Тип резистора	Товщина шару, мкм	Поверхневий опір , Ом/кв	Допуск, %	ТКR(), 1/°С	Паразитна ємність, пФ/мм²
Дифузійний резистор на основі базової області	2,5 ÷ 3,5	100 ÷ 300	± (5 ÷ 20)	±(0,5 ÷ 3)·10^-3	150 ÷ 350
Пінч-резистор	0,5 ÷ 1,0	(2 ÷ 15)·10³	±50	± (1,5 ÷ 3)·10^-3	1000÷1500
Дифузійний резистор на основі емітерної області	1,5 ÷ 2,5	1 ÷ 10	±20	±(1 ÷ 5)·10^-4	1000÷1500
Епітаксіальний резистор	7 ÷ 1,0	(0,5÷ 5)·10³	±(15 ÷ 25)	± (2 ÷ 4)·10^-3	80 ÷ 100
Іонно-легований резистор n-типу	0,1 ÷ 0,2	(5 ÷ 10)·10²	±50	± (1,5 ÷ 5)·10^-3	200 ÷ 350

Таблиця1.4 – Характеристики тонкоплівкових резисторів суміщених ІМС

Матеріал	, Ом/кв⁪	ТКО), 1/°С	Допуск, %	Розкид відношення опорів, %
Ніхром	40 ÷ 400	1	±5	±1
Тантал	200 ÷ 5000	1	±5	±1
Плівка SiО₂	80 ÷ 4000	0 ÷ 15	±8	±2

Звіт повинен містити

1. Вихідні дані.

2. Конструктивний розрахунок ДР.

3. Креслення ДР.

4. Лістинг програми.

5. Результати тестування.

6. Висновки.

Контрольні запитання

1. Які з областей інтегрального транзистора використовують для створення ДР ?

2. Які фактори впливають на оптимізацію параметрів ДР ?

3. Як існують конфігурації ДР залежно від номінальних значень ?

4. Наведіть технологію виготовлення ДР.

5. Наведіть температурну залежність опору ДР.