MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Az előadások a következő témára: "MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306"— Előadás másolata:

1 MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306
A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet

2 Bipoláris IC technológia
Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

3 Bipoláris IC technológia lépései
Minden adalékolási lépéshez tartozik egy ablaknyitás az oxidban, ezt nem ábrázoljuk külön. Az ilyen ablaknyitáshoz maszk kell. fémezés mintázat M fémréteg leválasztása kontaktus ablakok M n+ emitter diffúzió M p+ bázis diffúzió M p szigetelés diffúzió M n epi réteg leválasztása n+ emitter p+ bázis n kollektor n+ eltemetett réteg M n+ eltemetett réteg p szubsztrát Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

4 Structure of bipolar IC transistors
burried layer collector n type island p-Si substrate base contact emitter base collector contact Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET

5 Major process steps 1. n+ burried layer doping (for collector regions)
Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET

6 Major process steps n 2. n epi layer growth for the active islands n+
Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET

7 Major process steps n p 3. p type isolation doping (deep diffusion through the n epi layer) M n+ p Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET

8 Major process steps p+ n p 4. p+ base diffusion M n+ p 17-10-2014
Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET

9 Major process steps n p p+ 5. n+ emitter diffusion (also for better collector contact) M n+ Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET

10 Major process steps p+ 6. contact window opening n+ p+ n p 17-10-2014
Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET

11 Major process steps 6. contact window opening M n+ p+ n p 17-10-2014
Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET

12 Major process steps 7. metallization pattern n+ p+ n p 17-10-2014
Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET

13 Major process steps 7. metallization pattern M n+
Masks needed for a bipolar process: burried layer (n+) isolation (deep p through n epi) base (p) emitter (n+) contact windows metallization pattern The process is optimized for creating good NPN transistors Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET

14 Lehetséges alkatrészek
A technológiát (vertikális) npn tranzisztorra optimalizálják Bizonyos részek elhagyásával, vagy trükkös fémezéssel más alkatrészek is kialakíthatóak különleges npn tranzisztorok ellenállások dióda pnp tranzisztor Többlet maszkkal és többlet technológiai lépéssel: vékonyréteg kapacitás Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

15 Bipoláris IC technológiával megvalósítható alkatrészek
Ellenállás bázis diffúzióval Emitter diffúzióval megnyomott ellenállás PNP tranzisztorok Vékonyréteg kapacitás Egy OpAmp layoutja Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

16 A bipoláris integrált áramkörök alapelemei
NPN tranzisztor Bázis diffúziós ellenállás Megnyomott ellenállás Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

17 Bipoláris IC alkatrészek
Egy bipoláris IC részlete pásztázó elektronmikroszkóppal leképezve Nagy meander alakú ellenállás Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

18 Bipoláris IC alkatrészek a szigetelés-diffúzió
Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

19 Bipoláris IC alkatrészek npn (vertikális) tranzisztor
Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

20 Az npn IC tranzisztor szerkezete
Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

21 Bipoláris IC alkatrészek npn tranzisztorok
Technológia: az npn (vertikális) tranzisztorokra optimálva Hatásos emitter él a báziskontaktus oldalán (I=2 A/cm), EB letörés: 5-6 V, CB letörés V, fT= MHz Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

22 Bipoláris IC alkatrészek Nagyáramú npn tranzisztor
Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

23 Bipoláris IC alkatrészek npn tranzisztorok
Hatásos emitter él a báziskontaktus oldalán (I=2 A/cm) Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

24 Bipoláris IC alkatrészek npn tranzisztorok változatai
Helytakarékos megoldások: két tranzisztor közös zsebben, multiemitteres tranzisztor Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

25 Bipoláris IC alkatrészek
Bázisdiffúziós ellenállás R – négyzetes ellenállás Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

26 Bipoláris IC alkatrészek Bázisdiffúziós ellenállások
Egy szigetben több ellenállás is lehet. A sziget +UCC -re kötendő! Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

27 Bipoláris IC alkatrészek
Bázisdiffúziós ellenállás, meander alakban hajtogatva Pontosság Paraziták Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

28 Mi kell ahhoz, hogy két ellenállás (alkatrész) NAGYON egyforma legyen?
azonos rajzolat azonos pozíció közel egymáshoz NEM minimális méret azonos hőmérséklet layout termikus szimulációja Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

29 Bipoláris IC alkatrészek
"megnyomott" bázisdiffúziós ellenállás Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

30 Bipoláris IC alkatrészek
"megnyomott" bázisdiffúziós ellenállás értéke néhányszor 100 kW (kb.) emitter diffúzió bázisdiffúzió Enyhén nemlineáris Feszültsége korlátozott Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

31 Bipoláris IC alkatrészek
"zömök" emitterdiffúziós ellenállás (vezeték keresztezés) értéke kb. 2 W Emitter diffúzió Fémezés Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

32 Bipoláris IC alkatrészek
Laterális pnp tranzisztor Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

33 Bipoláris IC alkatrészek
Laterális pnp tranzisztor Több is lehet egy zsebben! Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

34 Bipoláris IC alkatrészek
Laterális "szektor" pnp tranzisztorok Önmagában áramtükör! Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

35 Bipoláris IC alkatrészek
Laterális "szektor" pnp tranzisztorok Köralakúak is léteznek! I I I 3I Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

36 Bipoláris IC alkatrészek Vertikális pnp tranzisztor
n+ eltemetett réteg ellenütemű erősítő (B) Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

37 Bipoláris IC alkatrészek A "vékonyréteg" kondenzátor
dox: 0,1 m (50 V) Cfajl: 3-400pF/mm2 A jósági tényező javítása A parazita kapacitás hatástalanítása Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

38 Bipoláris IC alkatrészek Vékonyréteg (fém-SiO2-n+) kondenzátor egy műveleti erősítőben
Értéke: kb. 30pF Cfajl: 3-400pF/mm2 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

39 Bipoláris IC alkatrészek Vékonyréteg (fém-SiO2-n+) kondenzátor egy műveleti erősítőben
Hasonlítsuk össze a kondenzátor és egy tranzisztor méretét! Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

40 Bipoláris IC alkatrészek A pn átmenet mint kondenzátor
A tértöltési kapacitás kihasználható, de feszültségfüggő (nemlineáris) nem kaphat nyitó feszültséget ! EB: 1000pF/mm (5 V-ig ! ) CB: 150pF/mm (~50 V-ig ) Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

41 Műveleti erősítő layout, alkatrész elrendezés
Szimmetria, hogy a termikus hatások a lehető legegyformábbak legyenek 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) Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

42 Kimeneti tranzisztorok
Az ideális elrendezés Teljesítmény végfok tranzisztorok távol a differenciális pár alkotta bemenettől Szimmetrikus elrendezése - common centroid: x és y irányú technológiai szórásra is érzéketlen azonos izotermák Bemeneti diff. erősítő (common centroid) Kimeneti tranzisztorok Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

43 Termikus hatások analóg IC-knél: bipoláris OpAmp
A termikus impedancia fogalma Termikus visszacsatolás egy OpAmp-nál A layout hatása a termikus visszacsatolásra Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

44 A termikus impedancia fogalma
A kapu impedancia T1 hőmérséklet növekmény A transzfer impedancia Zth () komplex értékű Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

45 Termikus visszacsatolás – opamp-ban
Stacionárius állapot, VOUT > 0   -2 mV/oC Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

46 Termikus visszacsatolás – opamp-ban
Stacionárius üzem Hatás a nyílt hurkú transzfer karakterisztikán Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

47 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. Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

48 A modellezés részletei
A vizsgált áramkör a A741 müveleti erősítő A fizikai réteg-szerkezet Az erősítő kapcsolása A sárgával jelölt tranzisztorokat elektro-termikus modellel írtuk le Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

49 A layout-ok "visszafejtése"
Layout "A" Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

50 A layout-ok "visszafejtése"
Layout "B" Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

51 Nyílthurkú transzfer karakterisztika (mérés és szimuláció)
Layout "A" Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

52 Nyílthurkú transzfer karakterisztika (mérés és szimuláció)
Layout "B" Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

53 Vizsgálatok a frekvencia tartományban
Termikus hatások a kimeneti impedanciában Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

54 Vizsgálatok a frekvencia tartományban
Layout "A", a felső tranzisztor működik, G=104 Ez a hatás a terheletlen opamp-nál is fellép! Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET

55 Ezek az IC-k csupán az alkatrészek elhelyezésében térnek el!
Vizsgálatok a frekvencia tartományban "A" "B" Ezek az IC-k csupán az alkatrészek elhelyezésében térnek el! Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET