266

Л.А. Торгонский

Проектирование

интегральных микросхем

и микропроцессоров

Раздел 1

Учебное пособие

2011

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра комплексной информационной безопасности

электронно-вычислительных систем (КИБЭВС)

Л.А. Торгонский

Проектирование

интегральных микросхем

и микропроцессоров

Раздел 1

Учебное пособие

2011

УДК 621.382

Торгонский Л.А.

Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебное пособие. В 3-х разделах. — Томск: ТУСУР, — Раздел 1. — 254 с.

Содержание пособия отражает базовые требования, темы, понятия предусмотренные государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования РФ по одноимённой дисциплине для специальности 210202 «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств».

Первый раздел пособия посвящен проектированию структур, топологических конфигураций элементов и кристаллов полупроводниковых микросхем.

Во втором разделе пособия рассматриваются основные аспекты проектирования элементов и плат гибридных микросхем, проектирования больших интегральных микросхем, проектирования средств защиты от внешних воздействий, монтажа и электромонтажа в конструкциях микросхем.

В третьем разделе размещены методические указания по изучению дисциплины, программа, варианты первой контрольной работы и технические материалы к выполнению трёх контрольных работ, вторая и третья из которых рассчитаны на компьютерный контроль. По дисциплине подготовлены вопросы компьютерного экзамена.

Пособие может быть рекомендовано студентам и специалистам других специальностей, выполняющим проектирование конструкций микросхем.

 Торгонский Л.А., 2011

 Томск, ТУСУР, 2011

Содержание

1 Введение 6

1.1 Термины и определения предметной области 7

1.2 Классификация микросхем 9

1.3 Обозначение ИМС 12

1.4 Конструкции и состав ИМС 13

1.5 Цели и задачи изучения дисциплины 17

1.6 Этапы проектирования микросхем 18

2 Проектирование элементов и кристаллов биполярных имс 19

2.1 Введение 19

2.2 Состав радиоэлементов БПТ ИМС 21

2.3 Материалы ИМС 22

2.3.1 Введение 22

2.3.2 Кристаллические материалы ИМС 23

2.4 Изоляция элементов 27

2.5 Технологические слои структур БПТ ИМС 30

2.6 Кремниевые пластины с ЭПС 38

2.7 Кремниевые пластины с ЭПС и скрытыми слоями 39

2.8 Кремниевые пластины с полной диэлектрической изоляцией карманов 40

2.9 Арсенид галлия в производстве ИМС 42

2.10 Технологические варианты структур БПТ 43

2.11 Параметры слоев структур БПТ ИМС 48

2.11.1 Оценка параметров слоя 50

2.12 Проектирование БПТ 55

2.12.1 Введение 55

2.12.2 Функциональные параметры БПТ 55

2.12.3 Расчетные соотношения оценки параметров БПТ 56

2.12.4 Проектирование топологии БПТ 64

2.12.5 Объемные формы и габаритные размеры элементов ИМС 69

2.12.6 Межэлектродные сопротивления БПТ 72

2.12.7 Зависимость коэффициента передачи от топологии 78

2.12.8 Параметры быстродействия транзистора 80

2.13 Алгоритм проектирования БПТ 83

2.14 Диоды ИС 84

2.14.1 Общие замечания 84

2.14.2 Структуры интегральных диодов 85

2.14.3 Топологические конфигурации диодов 89

2.14.4 Проектные параметры диодов 91

2.14.5 Схема замещения диода 94

2.14.6 Алгоритм проектирования диодов 95

2.14.7 Диоды Шоттки в структурах БПТ 96

В формулах (2.97) обозначения Nd и Na соответствуют усреднённым концентрациям легирующих доноров для базы n-типа и акцепторов для базы р-типа соответственно. Различие в потенциальных барьерах в 0,2 эВ должно обеспечить различие токов определяемых основными и неосновными носителями заряда на три-четыре порядка. В реальных переходах Шоттки из-за несовершенства структуры контакта, проявления эффектов туннелирования носителей через тонкие барьеры результаты реализации позитивных свойств в значительной степени определяется достижениями технологии производства. Вероят-ность влияния туннелирования носителей заряда сквозь барьер повышается, как известно, при уменьшении ширины барьера dш. 101

Ширина барьера определяется по выражению 101

2.15 Модификации БПТ специального назначения 102

2.15.1 Общие сведения 102

2.15.2 Многоэмиттерный БПТ 103

2.15.3 Многоколлекторный БПТ 108

2.15.4 Транзисторы с контактными переходами Шоттки 127

2.15.5 Транзисторы с продольной структурой 129

2.15.6 Транзисторы со сверхтонкой базой 136

2.15.7 Транзисторы приборов совмещенных технологий 137

2.16 Резисторы полупроводниковых ИМС 138

2.16.1 Общие замечания 138

2.16.2 Структуры резисторов полупроводниковых ИМС 138

2.16.3 Топологические конфигурации резисторов 140

2.16.4 Проектные параметры резисторов 141

2.16.5 Расчетные соотношения 141

2.16.6 Алгоритм проектирования полупроводниковых резисторов 144

2.17 Конденсаторы биполярных ИМС 146

2.17.1 Общие сведения 146

2.17.2 Конденсаторы на основе р-n-перехода 146

2.17.3 Конденсаторы со структурой МОП 148

2.17.4 Параметры конденсаторов БПТ ИМС 149

2.17.5 Алгоритм проектирования конденсаторов БП ИМС 155

2.18 Соединения и контакты БПТ ИМС 158

2.18.1 Общие сведения 158

2.18.2 Материалы и структуры соединений и контактов 159

2.18.3 Параметры и размеры соединений и контактов 163

2.19 Базовые элементы цифровых биполярных микросхем 167

2.19.1 Введение 167

2.19.2 Элементы транзисторно-транзисторной логики 169

2.19.3 Элементы ТТЛ с приборами Шоттки 172

2.19.4 Элементы эмиттерно-связанной логики 173

2.19.5 Элементы инжекционной логики (И2Л) 175

2.19.6 Элементы И2Л с диодами Шоттки 179

2.20 Кристаллы ИС 182

2.20.1 Введение 182

2.20.2 План кристалла 186

2.20.3 Сокращение потерь площади рабочей кристалла 187

2.20.4 Проектирование топологии ИС на БПТ 193