Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями

   

О. Дворников, В. Чеховский

Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями

Для проектирования многоканальных ИС ядерной электроники по биполярно-полевой технологииразработан специализированный БМК. Оригинальная топология макрофрагмента, универсальные конструкцииактивных элементов и контактных площадок, хорошие частотные и шумовые характеристики n-p-n (Ft > 3 ГГц,Rbb < 35 Ом,) и p-JFET транзисторов (Up = 2–3 В, Ft > 120 MГц) позволяют реализовать на БМК широкий спектраналоговых ИС: импульсные усилители с RC-CR фильтрами, каскодные усилители, операционные усилители с входнымикаскадами на n-p-n, p-n-p, p-JFET транзисторах, трансимпедансные усилители с малым входным сопротивлением,широкополосные токовые усилители.


Рис. 1

БМК (рис. 1) включает 4 идентичных канала, каждый из которых состоит из двух макрофрагментов (рис. 2).По периферии БМК размещены сложно-функциональные контактные площадки, которые либо выполняют функции контактныхплощадок ИС, либо используются как схемные элементы. Всего сложно-функциональных контактных площадок — 54, онимогут быть следующих типов:

  • PAD2Q — два многоэмиттерных малошумящих n-p-n транзистора (обозн. цифрой 2 на рис. 2). Малошумящий n-p-nтранзистор, входящий в элемент PAD2Q, представляет собой 9-ти эмиттерный транзистор с сопротивлением базовойобласти менее 35 Ом. Возможно частичное масштабирование параметров транзистора, направленное на уменьшениеемкости эмиттерного перехода и сдвига максимума зависимости коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттеромb в область малых токов.

    Pspice модель малошумящего n-p-n транзистора следующая:

    .MODEL PAD2Q9 npn IS=9.9e-17 xti=3 BF=104 VAF=24 IKF=63m ISE=9.9e-17
    + xtb=1.5 NE=1.2 BR=0.7 VAR=20 IKR=.99m ISC=2.38E-13 NC=2 RB=28.6
    + IRB=.105m RBM=9.52 RE=0.476 RC=15.1 CJE=1.52p MJE=88m VJE=0.75
    + EG=1.11 CJC=1.92p MJC=88m VJC=0.82 XCJC=0.2 CJS=2.24p MJS=0.5
    + VJS=0.75 tr=10n tf=15p itf=10.5m vtf=20 xtf=2




    Рис. 2

  • PADJ — малошумящий p-JFET (обозн. 3 на рис. 2), который имеет 8 полосковых затворов, максимальный ток стока10–14 мА при напряжении отсечки 2,1–2,7 В и граничную частоту усиления более 120 МГц. Возможно частичное масштабированиепараметров транзистора за счет подключения разного количества затворов.

    Pspice модель малошумящего p-JFET транзистора:

    .MODEL PADJ8 pjf Vto=-3.16 beta=.94m lambda=0.01 Is=1E-16 Rd=12 Rs=12
    + Cgd=4.165p Cgs=4.165p FC=0.5 PB=1



  • PADJDG — два двухзатворных p-JFET (обозн. 4 на рис. 2). р-JFET транзистор, входящий в элемент PADJDG,представляет собой полевой транзистор, управляемый p-n переходом с каналом р-типа и двумя затворами n-типа,каждый из которых может быть соединен со схемой.


    Рис. 3

  • PADC — МОП конденсатор величиной 2,12 пФ (обозн. 5 на рис. 2). МОП конденсаторы БМК (PADC, C0_9P) имеютодинаковую конструкцию, которая позволяет использовать в схеме барьерную емкость полупроводниковой обкладки, иотличаются только величиной. На рис. 3 вывод С1 принадлежит металлической, а вывод С2 — полупроводниковой обкладкеконденсатора, вывод С3 — контакт к изолирующему n-карману, который можно использовать для подключения к схемебарьерной емкости Dp+n или необходимо соединить с самым высоким потенциалом схемы. Вывод Sub — это контакт кподложке p-типа, на который подают самый отрицательный потенциал схемы.

    Элементы Dp+n и Dn-sub описываются следующими Pspice моделями:

    .MODEL Dp+n (D IS=? RS=Rn- Xti=3 Cjo=? M=0.33 Vj=0.85 Fc=0.5)
    .MODEL Dn-sub (D IS=? RS=Rsub Xti=3 Cjo=? M=0.5 Vj=0.74 Fc=0.5)

    Заметим, что последовательные сопротивления электрической схемы Rn- и Rsub входят в модели диодов и поэтому неописываются в схеме электрической принципиальной, а сопротивления Rp+ и Rn+ необходимо обязательно подключить.Величина сопротивлений и Pspice параметры диодов приведены в табл. 1. Сопротивление подложки (Rsub) дляконденсатора C0_9P зависит от его удаления от контакта к подложке, поэтому в таблице указан наихудший случай длясамого отдаленного конденсатора при одном контакте к подложке. В реальной схеме эта величина в среднем составит200–300 Ом.
    Таблица 1. Pspice параметры МОП конденсаторов     RP+, Om Rn-, Om RP+, Om Rsub, Om CJO, pF IS, e-16 A CO_9P, 0,9 pF Dp+n
    Dn-sub 150
      4,2
      71,5
       
    <1200 1,83
    1,86 7,42
    10,0 PADC, 2,12 pF Dp+n
    Dn-sub 43
      1,7
      19
        37 4,33
    3,85 17,6
    20,7

    Если сложнофункциональные контактные площадки не используются в схеме, то барьерные емкости их p-n переходов можноиспользовать для фильтрации сигнала.

    Каждый макрофрагмент имеет один изолированный карман, в котором размещены резисторы номиналом от 550 Ом до 12,7 кОм,выполненные на слое р-базы, и номиналом 35 – 44 кОм, выполненные на слое р-канала полевого транзистора.Особенностью последних является высокий разброс параметров (до ±25%) и сильный температурный уход, поэтому ихприменение в схемах ограничено. Низкоомные резисторы имеют только один номинал 95 Ом и выполнены на слое n+глубокого коллектора. Помимо резисторов макрофрагмент содержит малосигнальные n-p-n транзисторы генераторовстабильного тока (элемент NPNC обозн. цифрой 10 на рис. 2), МОП конденсаторы емкостью 0,9 пФ (элемент C0_9Pобозн. 7 на рис. 2) и полупроводниковые структуры следующих типов:

  • PNPJF — функционально-интегрированный элемент (ФИЭ), представляющий собой каскодное включение p-n-pтранзистора и p-JFET (обозн. 8 на рис. 2), который можно использовать как p-n-p транзистор, p-JFET транзисторили каскодное включение p-n-p транзи-стора и p-JFET.

    P-JFET транзистор, входящий в элемент PNPJF, описывается параметрами:

    .MODEL JF1 pjf Vto=-2.99 beta=19.7u lambda=0.01 Is=2.31E-16 Rd=520 Rs=520
    + Cgd=80f Cgs=40f FC=0.5 PB=1

    P-n-p транзистор, входящий в элемент PNPJF, описывается параметрами:

    .MODEL PJF LPNP Is=5.67E-18 Bf=68.5 Ne=1.338 Ise=60E-18 Ikf=34.1u
    + VAF=14 BR=3.63 VAR=20 IKR=0.078 ISC=6.1E-16 RB=58.8 IRB=2.9u
    + RBM=1.44 RE=26.9 RC=291 CJE=140f MJE=0.353 CJC=156f MJC=0.31
    + CJS=252f XCJC=0.99 MJS=0.5 TR=160N TF=2.6n ITF=.418 xti=3 VTF=40.0
    + XTF=2 NF=1.011 FC=0.5 xtb=1.5 Nc=2 vjc=0.69 vje=0.69

  • GC — два n-p-n транзистора (обозн. 9 на рис. 2) с объединенными коллекторами (ячейка Джильберта).Ячейку Джильберта удобно использовать в дифференциальных каскадах с перекрестными коллекторными связями,а также как двухэмиттерный или умощненный транзистор. Рабочий ток по каждому из эмиттеров составляет 2,9 мА.Каждый из транзисторов ячейки Джильберта можно применить в качестве стабилитрона.

    Pspice модель элемента NPNGC:

    .MODEL NPNGC npn IS=5.92e-17 xti=3 BF=104 VAF=24 IKF=4.5m ISE=5.92e-17
    + xtb=1.5 NE=1.2 BR=0.7 VAR=20 IKR=107u ISC=2.56E-14 NC=2 RB=200
    + IRB=7.5u RBM=6.67 RE=6.67 RC=140 CJE=109f MJE=88m VJE=0.75 EG=1.11
    + CJC=207f MJC=88m VJC=0.82 XCJC=0.2 CJS=336f MJS=0.5 VJS=0.75 tr=10n

    + tf=15p itf=.75m vtf=20 xtf=2

    Модель элемента GC как стабилитрона:

    .MODEL NPNGCST (D IS=5.92e-17 Rs=6.67 Ikf=15.56u N=1 Xti=3 Eg=1.11
    + Cjo=109f M=0.27 Vj=0.75 Fc=0.5 Isr=795f Nr=2 Bv=5.288 Ibv=58.92m
    + Tt=15p TBv1=0.18m)

  • TW — четырехслойная полупроводниковая структура (обозн. 11 на рис. 2), позволяющая за счетразличного выполнения межсоединений областей получить двухэмиттерный n-p-n или p-n-p транзистор. Элемент TWрасположен с одной стороны макрофрагмента и предназначен в основном для реализации токозадающих блоков смещения.Рабочий ток по каждому из эмиттеров n-p-n составляет 1,9 мА.

    Pspice модель элемента TW, соединенного как n-p-n:

    .MODEL NPNTW npn IS=3.9e-17 xti=3 BF=264 VAF=24 IKF=1.1m ISE=3.95e-17
    + xtb=1.5 NE=1.2 BR=0.7 VAR=20 IKR=104u ISC=2.5E-14 NC=2 RB=300
    + IRB=5u RBM=10 RE=10 RC=144 CJE=73f MJE=88m VJE=0.75 EG=1.11
    + CJC=134f MJC=88m VJC=0.82 XCJC=0.2 CJS=233f MJS=0.5 VJS=0.75 tr=10n
    + tf=15p itf=.5m vtf=20 xtf=2

    Pspice модель элемента TW, соединенного как p-n-p:

    .MODEL PNPTW LPNP Is=5.1E-18 Bf=56.3 Ne=1.338 Ise=53E-18 Ikf=30.5u
    + VAF=14 BR=3.63 VAR=20 IKR=0.174 ISC=13.8E-16 RB=65.6 IRB=2.6u
    + RBM=1.6 RE=30 RC=320 CJE=261f MJE=0.353 CJC=134f MJC=0.31 CJS=233f
    + XCJC=0.99 MJS=0.5 TR=160N TF=2.6n ITF=.375 xti=3 VTF=40.0 XTF=2
    + NF=1.011 FC=0.5 xtb=1.5 Nc=2 vjc=0.69 vje=0.69

    Модель элемента TW как стабилитрона:

    .MODEL NPNTWST d IS=3.95e-17 Rs=10 Ikf=15.56u N=1 Xti=3 Eg=1.11
    + Cjo=73f M=0.27 Vj=0.75 Fc=0.5 Isr=795f Nr=2 Bv=5.288 Ibv=58.92m
    + Tt=15p TBv1=0.18m

Макрофрагмент окружен экранирующим контактом, позволяющим устранить паразитное взаимодействиечерез подложку разных блоков и соседних каналов.Суммарные характеристики БМК приведены в табл. 2, 3.Размер кристалла БМК составляет 2,7х3,6 мм, на одной полупроводниковой пластине диаметром 100 мм находитсяоколо 650 кристаллов.

Элементы БМК были изготовлены по биполярно-полевой технологии, наиболее важные характеристики элементнойбазы показаны на рисунках:

  • Выходная вольтамперная характеристика элемента PNPJF, включенного как p-n-p транзистор (Ic), и каскодноевключение (Id) p-n-p и p-JFET (рис. 4).


    Рис. 4

  • Измеренные значения статического (bdc) и дифференциального (bac) коэффициентов передачи тока в схеме с общимэмиттером p-n-p транзистора элемента PNPJF (рис. 5). Точками обозначены значения, полученные при Pspice моделированиихарактеристик.


    Рис. 5

  • Измеренные значения статического (bdc) и дифференциального (bac) коэффициентов передачи тока в схеме с общимэмиттером n-p-n транзистора элемента TW с соединенными эмиттерами (рис. 6).


    Рис. 6

  • Выходные вольтамперные характеристики в схеме с общим истоком элемента PADJ (рис. 7) и JFET транзистора,входящего в PNPJF (рис. 8).

Рис. 7


Рис. 8

Результаты измерений (линии) и моделирования (отдельные точки), приведенные на рис. 4–8, показывают достаточнуюточность Pspice моделей.

Применение БМК возможно различными путями.

  • Заказчик предоставляет схему электрическую принципиальную на уровне элементов БМК: транзисторов, резисторов,конденсаторов. Исполнитель осуществляет входной контроль и, при необходимости, моделирование отдельных блоков,разрабатывает топологию межсоединений, изготавливает комплект фотошаблонов металлизации и кристаллы ИС сиспользованием ранее сформированной активной структуры.
  • Заказчик изучает библиотеку базовых схемотехнических решений, выбирает блоки и узлы с требуемыми параметрамии предоставляет схему электрическую функциональную на основе базовых решений. Исполнитель моделирует работу изделияв целом, разрабатывает топологию межсоединений, изготавливает комплект фотошаблонов металлизации и пластины.
  • Заказчик предоставляет схему электрическую функциональную на основе любых блоков, в том числе отсутствующих вбиблиотеке. Всю остальную работу — моделирование, согласование с Заказчиком результатов моделирования, разработкутопологии межсоединений, изготовление комплекта фотошаблонов металлизации и пластин — выполняет Исполнитель.

Национальный научно-учебный центр
физики частиц и высоких энергий при БГУ, Минск
Тел. (017) 231-4679, факс (017) 232-6075
E-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
~tchek






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.