Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 A bipoláris IC technológia.

Az előadások a következő témára: "Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 A bipoláris IC technológia."— Előadás másolata:

1 http://www.eet.bme.hu Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet http://www.eet.bme.hu/~poppe/miel/hu/08-bipIC.ppt

2 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 2 Bipoláris IC technológiával megvalósítható alkatrészek ► Ellenállás bázis diffúzióval ► Emitter diffúzióval megnyomott ellenállás ► PNP tranzisztorok ► Vékonyréteg kapacitás ► Egy OpAmp layoutja

3 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 3 A bipoláris integrált áramkörök alapelemei

4 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 4 Bipoláris IC alkatrészek Egy bipoláris IC részlete pásztázó elektronmikroszkóppal leképezve

5 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 5 Bipoláris IC alkatrészek npn (vertikális) tranzisztor

6 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 6 Bipoláris IC alkatrészek a szigetelés-diffúzió

7 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 7 Az npn IC tranzisztor szerkezete

8 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 8 Bipoláris IC alkatrészek npn tranzisztorok Hatásos emitter él a báziskontaktus oldalán (I=2 A/cm), EB letörés: 5-6 V, CB letörés 40-50 V, f T =800-900 MHz Technológia: az npn (vertikális) tranzisztorokra optimálva

9 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 9 Bipoláris IC alkatrészek Nagyáramú npn tranzisztor

10 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 10 Bipoláris IC alkatrészek npn tranzisztorok változatai Helytakarékos megoldások: két tranzisztor közös zsebben, multiemitteres tranzisztor

11 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 11 Bipoláris IC alkatrészek npn tranzisztorok Hatásos emitter él a báziskontaktus oldalán (I=2 A/cm)

12 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 12 Bipoláris IC alkatrészek Bázisdiffúziós ellenállás R – négyzetes ellenállás

13 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 13 Bipoláris IC alkatrészek Bázisdiffúziós ellenállások Egy szigetben több ellenállás is lehet. A sziget +U CC -re kötendő!

14 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 14 Bipoláris IC alkatrészek Bázisdiffúziós ellenállás, meander alakban hajtogatva Pontosság Paraziták

15 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 15 Mi kell ahhoz, hogy két ellenállás (alkatrész) NAGYON egyforma legyen? azonos rajzolat azonos pozíció közel egymáshoz NEM minimális méret azonos hőmérséklet layout termikus szimulációja

16 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 16 Bipoláris IC alkatrészek "megnyomott" bázisdiffúziós ellenállás

17 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 17 Bipoláris IC alkatrészek értéke néhányszor 100 k  (kb.) emitter diffúzió bázisdiffúzió Enyhén nemlineáris Feszültsége korlátozott "megnyomott" bázisdiffúziós ellenállás

18 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 18 "zömök" emitterdiffúziós ellenállás (vezeték keresztezés) értéke kb. 2  Emitter diffúzió Fémezés Bipoláris IC alkatrészek

19 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 19 Bipoláris IC alkatrészek Laterális pnp tranzisztor

20 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 20 Több is lehet egy zsebben! Bipoláris IC alkatrészek Laterális pnp tranzisztor

21 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 21 Önmagában áramtükör! Bipoláris IC alkatrészek Laterális "szektor" pnp tranzisztorok

22 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 22 I I I 3I Köralakúak is léteznek! Bipoláris IC alkatrészek Laterális "szektor" pnp tranzisztorok

23 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 23 n + eltemetett réteg ellenütemű erősítő (B) Bipoláris IC alkatrészek Vertikális pnp tranzisztor

24 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 24 d ox : 0,1  m (50 V) C fajl : 3-400pF/mm 2 A jósági tényező javítása A parazita kapacitás hatástalanítása Bipoláris IC alkatrészek A "vékonyréteg" kondenzátor

25 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 25 Bipoláris IC alkatrészek Vékonyréteg (fém-SiO 2 -n + ) kondenzátor egy műveleti erősítőben Értéke: kb. 30pF C fajl : 3-400pF/mm 2

26 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 26 Hasonlítsuk össze a kondenzátor és egy tranzisztor méretét! Bipoláris IC alkatrészek Vékonyréteg (fém-SiO 2 -n + ) kondenzátor egy műveleti erősítőben

27 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 27 Bipoláris IC alkatrészek A pn átmenet mint kondenzátor A tértöltési kapacitás kihasználható, de feszültségfüggő (nemlineáris) nem kaphat nyitó feszültséget ! EB: 1000pF/mm 2 (5 V-ig ! ) CB: 150pF/mm 2 (~50 V-ig )

28 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 28 Műveleti erősítő layout, alkatrész elrendezés T1, T2: NPN, bemeneti differenciálerősítő T3, T4: PNP, laterális T5, T6, T7: NPN T10, T11, T13: PNP laterális tranzisztorok D1, D2: diódák T16-17: NPN darlington T19-21: egy zsebben 3 NPN tranzisztor R1, R6: nagy ellenállások R7: megnyomott ellenállás R8, R9: kis ellenállások T22: PNP vertikális T23: NPN vertikális (nagyáramúak) Szimmetria, hogy a termikus hatások a lehető legegyformábbak legyenek

29 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 29 Termikus hatások analóg IC-knél: bipoláris OpAmp ► A termikus impedancia fogalma ► Termikus visszacsatolás egy OpAmp-nál ► A layout hatása a termikus visszacsatolásra ► Termikus szempontból optimális layout

30 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 30 A termikus impedancia fogalma A kapu impedancia A transzfer impedancia Z th komplex értékű T1 hőmérséklet növekmény

31 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 31 Termikus visszacsatolás – opamp-ban Stacionárius állapot, V OUT > 0   -2 mV/ o C

32 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 32 Termikus visszacsatolás – opamp-ban Stacionárius üzem Hatás a nyílt hurkú transzfer karakterisztikán

33 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 33 Termikus visszacsatolás – opamp-ban A vizsgálat módszere: Mind méréseket, mind szimulációkat végeztünk. Egy kereskedelmi forgalomban lévő közismert típust vizsgáltunk, ez a  A741 müveleti erősítő. Mind a stacionárius, mind a dinamikus viselkedést mértük és szimuláltuk. Több, azonos típusú, de különböző gyártótól származó egyedet vizsgáltunk. A különböző dizájnok ugyanazon áramkört realizálták, de az alkatrészek elrendezése eltérő volt. Az alkatrész elrendezést, az IC-k layout-ját a felbontott tokok mikroszkópi képe alapján derítettük fel.

34 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 34 A modellezés részletei Az erősítő kapcsolása A fizikai réteg- szerkezet A vizsgált áramkör a  A741 müveleti erősítő A sárgával jelölt tranzisztorokat elektro-termikus modellel írtuk le

35 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 35 A layout-ok "visszafejtése" Layout "A"

36 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 36 A layout-ok "visszafejtése" Layout "B"

37 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 37 Nyílthurkú transzfer karakterisztika (mérés és szimuláció) Layout "A"

38 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 38 Nyílthurkú transzfer karakterisztika (mérés és szimuláció) Layout "B"

39 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 39 Termikus hatások a kimeneti impedanciában Vizsgálatok a frekvencia tartományban

40 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 40 Layout "A", a felső tranzisztor működik, G=10 4 Ez a hatás a terheletlen opamp-nál is fellép! Vizsgálatok a frekvencia tartományban

41 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 41 "A" "B" Ezek az IC-k csupán az alkatrészek elhelyezésében térnek el! Vizsgálatok a frekvencia tartományban

42 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 42 "A" "B" Bemeneti diff. erősítő (common centroid) Kimeneti tranzisztorok Az ideális elrendezés

43 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 43 Áramkörök közötti termikus csatolás A termikus hatások az azonos csipen elhelyezkedő, egyébként független áramkörök között is csatolást okozhatnak. A vizsgált áramkör:  A747 (két  A741 egyetlen csipen)

44 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 44 Piros = mérés, Kék = szimuláció Áramkörök közötti termikus csatolás