No Slide Titleender/eet_ebook/BMEVIEEA306/09-bipIC.pdf · 2012-04-03 · 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András &

http://www.eet.bme.hu

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemElektronikus Eszközök Tanszéke

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

A bipoláris

IC technológia és lehetséges elemkészlet

http://www.eet.bme.hu/~poppe/miel/hu/08-bipIC.ppt

2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2011 2

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem

Elektronikus Eszközök Tanszéke

Bipoláris IC technológiával megvalósítható alkatrészek

►

Ellenállás bázis diffúzióval►

Emitter diffúzióval megnyomott ellenállás

►

PNP tranzisztorok►

Vékonyréteg kapacitás

►

Egy OpAmp layoutja




A bipoláris

integrált

áramkörök alapelemei




Bipoláris

IC alkatrészekEgy

bipoláris

IC részlete

pásztázó

elektronmikroszkóppal

leképezve




Bipoláris

IC alkatrészek npn

(vertikális) tranzisztor




Bipoláris

IC alkatrészek a szigetelés-diffúzió




Az

npn

IC tranzisztor

szerkezete




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, fT

=800-900 MHz

Technológia: az

npn

(vertikális) tranzisztorokraoptimálva




Bipoláris IC alkatrészek Nagyáramú

npn

tranzisztor




Bipoláris

IC alkatrészek npn

tranzisztorok

változatai

Helytakarékos

megoldások:

két

tranzisztor

közös

zsebben,

multiemitteres

tranzisztor




Bipoláris

IC alkatrészek npn

tranzisztorok

Hatásos

emitter él

a báziskontaktus

oldalán

(I=2 A/cm)




Bipoláris

IC alkatrészek

dxxNLDq

LdxDG

BB d

Bp

d

)(00∫∫ =

⋅= μσ

Bázisdiffúziós

ellenállás

DLRR =

∫=

Bd

p dxxNqR

0

)(

1

μ

R – négyzetes ellenállás




Bipoláris

IC alkatrészek Bázisdiffúziós

ellenállások

Egy

szigetben

több

ellenállás

is lehet.

A sziget

+UCC

-re kötendő!




Bipoláris

IC alkatrészekBázisdiffúziós

ellenállás, meander alakban

hajtogatva

CTR

KRR

/%1.0

10100150100

−=ΔΔ

Ω−Ω=Ω−=

PontosságParaziták




Mi kell

ahhoz, hogy

két

ellenállás (alkatrész) NAGYON

egyforma

legyen?

• azonos

rajzolat

• azonos

pozíció

• közel

egymáshoz

• NEM minimális

méret

• azonos

hőmérséklet

layout termikus szimulációja




Bipoláris

IC alkatrészek"megnyomott" bázisdiffúziós

ellenállás

∫=

B

E

d

dp dxxNq

R)(

1

μ




Bipoláris

IC alkatrészek

értéke

néhányszor 100 kΩ

(kb.)

emitter diffúzió

bázisdiffúzió

∫=

B

E

d

dp dxxNq

R)(

1

μEnyhén

nemlineáris

Feszültsége

korlátozott

"megnyomott" bázisdiffúziós

ellenállás




"zömök" emitterdiffúziós ellenállás

(vezeték

keresztezés)

értéke

kb. 2 Ω

Emitter diffúzió

Fémezés

Bipoláris

IC alkatrészek




Bipoláris

IC alkatrészekLaterális

pnp

tranzisztor




Több

is lehetegy

zsebben!

Bipoláris


pnp

tranzisztor




Önmagában

áramtükör!

Bipoláris


"szektor" pnp

tranzisztorok




I I I 3I

Köralakúakis léteznek!

Bipoláris


"szektor" pnp

tranzisztorok




n+

eltemetett réteg

ellenütemű erősítő

(B)

Bipoláris

IC alkatrészek Vertikális

pnp

tranzisztor




dox

: 0,1 μm (50 V)

Cfajl

: 3-400pF/mm2

A jósági tényező javítása

A parazita kapacitás hatástalanítása

FdAC r

127

612

0 1034510109,31086,8 −

−

−− ⋅=⋅⋅⋅== εε

Bipoláris IC alkatrészek A "vékonyréteg" kondenzátor




Bipoláris

IC alkatrészek Vékonyréteg

(fém-SiO2

-n+) kondenzátor

egy műveleti

erősítőben

Értéke: kb. 30pF

Cfajl

: 3-400pF/mm2




Hasonlítsuk

össze a kondenzátor és egy tranzisztor méretét!

Bipoláris

IC alkatrészek Vékonyréteg

(fém-SiO2

-n+) kondenzátor

egy műveleti

erősítőben




Bipoláris IC alkatrészek A pn

átmenet mint kondenzátor

A tértöltési

kapacitás

kihasználható, de

• feszültségfüggő

(nemlineáris)

• nem

kaphat

nyitó

feszültséget

!

EB: 1000pF/mm2 (5 V-ig

! )

CB: 150pF/mm2

(~50 V-ig

)




Műveleti

erősítő layout,

alkatrész

elrendezésT1, T2: NPN, bemeneti

differenciálerősítőT3, T4: PNP, laterálisT5, T6, T7: NPN T10, T11, T13: PNP laterális

tranzisztorok

D1, D2: diódákT16-17: NPN darlingtonT19-21: egy

zsebben

3 NPN

tranzisztorR1, R6: nagy

ellenállások

R7: megnyomott

ellenállásR8, R9: kis

ellenállások

T22: PNP vertikálisT23: NPN vertikális(nagyáramúak)

Szimmetria, hogy

a termikus

hatások a lehető

legegyformábbak legyenek




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




A termikus impedancia fogalma

1

1 )()(PTZth

ωω =

1

221

)()(P

TZthωω =→

A kapu

impedancia A transzfer

impedancia

Zth

komplex

értékű

T1 hőmérséklet

növekmény

]/[1

1 WKPTRth =




Termikus

visszacsatolás

–

opamp-ban

( )L

OUTOUTCCT R

VVVP −= +14

( ) 14214114 TPZZT →→ −=Δ

( )L

OUTOUTCCekv R

VVVZZγV −−= +→→ )( 214114

Stacionárius

állapot,

VOUT > 0

γ ≅ -2 mV/oC




Termikus

visszacsatolás

–

opamp-banStacionárius

üzem

Hatás

a nyílt

hurkú transzfer

karakterisztikán




Termikus

visszacsatolás

–

opamp-banA vizsgálat

módszere:

Mind méréseket, mind szimulációkat végeztünk.

Egy

kereskedelmi

forgalomban

lévő

közismert

típust vizsgáltunk, ez

a μA741 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.




A modellezés

részletei

Az

erősítő kapcsolása

A fizikai

réteg- szerkezet

A vizsgált

áramkör

a μA741 müveleti

erősítő

A sárgával

jelölt

tranzisztorokat

elektro-termikus

modellel

írtuk

le




A layout-ok "visszafejtése"Layout "A"




A layout-ok "visszafejtése"Layout "B"




Nyílthurkú

transzfer

karakterisztika (mérés

és

szimuláció)

Layout "A"




Nyílthurkú

transzfer

karakterisztika (mérés

és

szimuláció)

Layout "B"




Termikus

hatások

a kimeneti

impedanciában

)()()(1

)()(1

)( 214114 →→+ −−

++

+= ZZγVV

ωGβωG

ωGβRωZ OUTCC

v

v

v

eOUT

Vizsgálatok a frekvencia tartományban




Layout "A", a felső

tranzisztor

működik, G=104

Ez

a hatás

a terheletlen opamp-nál

is fellép!





"A" "B"

Ezek az

IC-k csupán

az

alkatrészek elhelyezésében

térnek

el!





"A"

"B"

Bemeneti

diff. erősítő(common centroid)

Kimeneti tranzisztorok

Az ideális elrendezés




Áramkörök

közötti

termikus

csatolásA termikus

hatások

az

azonos

csipen

elhelyezkedő, egyébként

független

áramkörök

között

is csatolást

okozhatnak.

A vizsgált

áramkör: μA747 (két

μA741 egyetlen

csipen)




Piros

=

mérés,

Kék

= szimuláció

Áramkörök

közötti

termikus

csatolás

Documents

No Slide Titleender/eet_ebook/BMEVIEEA306/09-bipIC.pdf · 2012-04-03 · 2011-10-21 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András &