Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование существующих ИМС истокового повторителя и постановка задачи 11
1.1. Особенности работы ИМС истокового повторителя с малогабаритными электретными микрофонами 11
1.2. Сравнительный анализ существующих ИМС истокового повторителя 17
1.3. Сравнительный анализ физической структуры и технологии изготовления существующих ИМС истокового повторителя 24 Основные выводы и постановка задачи 29
Глава 2. Разработка аналитической модели ИМС истокового повторителя 32
2.1. Метод определения параметров схемотехнической модели полевого транзистора в ИМС истокового повторителя 32
2.1.1. Вывод соотношений для определения параметров модели полевого транзистора 37
2.2. Вывод аналитических соотношений для формулирования требований к параметрам элементов ИМС 48
2.2.1. Выбор порогового напряжения полевого транзистора и площади диода смещения 49
2.2.2. Выбор сопротивления нагрузки полевого транзистора 55
2.3. Определение требований к геометрическим размерам канала полевого транзистора 57
Выводы 64
Глава 3. Технологическое и физико-топологическое моделирование разрабатываемой ИМС истокового повторителя 67
3.1. Моделирование технологического маршрута изготовления ИМС истокового повторителя 68
3.2. Исходные параметры диффузионных профилей легирования структуры полевого транзистора 73
3.3. Геометрические размеры структуры полевого транзистора 75
3.4. Учет физических эффектов, происходящих в канале полевого транзистора, и выбор модели для численного расчета 77
3.5. Выбор глубины канала структуры полевого транзистора 81
3.6. Физико-топологическое моделирование полевого транзистора в составе электрической принципиальной схемы ИМС 87
3.6.1. Учет параметров диода смещения при моделировании принципиальной схемы ИМС 88
3.6.2. Моделирование влияния геометрических размеров канала полевого транзистора на коэффициент передачи по напряжению и 91 ток потребления ИМС
3.7. Определение минимального напряжения питания ИМС 98
3.8. Моделирование входного импеданса и выходного сопротивления ИМС 99
3.9. Моделирование напряжения шумов на выходе ИМС 102
3.10. Методика проектирования и выбора параметров элементов ИМС истокового повторителя 104
Выводы 106
Глава 4. Экспериментальное исследование разработанной ИМС истокового повторителя 109
4.1. Измерения электрических параметров ИМС истокового повторителя
4.2. Сравнение результатов экспериментальных исследований и физико-топологического моделирования ИМС 117
4.3. Сравнение результатов экспериментальных исследований и схемотехнического моделирования ИМС 120
Выводы 123
Заключение 125
Список использованной литературы 130
Приложение 1 137
Приложение 2 140
Приложение 3 144
- Сравнительный анализ существующих ИМС истокового повторителя
- Вывод соотношений для определения параметров модели полевого транзистора
- Исходные параметры диффузионных профилей легирования структуры полевого транзистора
- Определение минимального напряжения питания ИМС
Введение к работе
Актуальность темы. К настоящему времени в технологии проектирования устройств преобразования информации произошли заметные изменения, связанные с появлением новой элементной базы микроэлектроники и новых типов первичных преобразователей информации. Одними из самых распространенных преобразователей информации на сегодняшний день стали малогабаритные электретные микрофоны ввиду высокой чувствительности и малых габаритов, что позволило использовать их в устройствах преобразования и усиления звуковой информации: радиомикрофоны, минигарнитуры, микропередатчики охранных устройств, слуховые аппараты. С появлением новых типов электретных микрофонов, имеющих уменьшенные габариты, важной технической задачей является разработка микромощных согласующих интегральных микросхем, позволяющих сократить размеры, энергопотребление и улучшить характеристики устройств преобразования информации.
Ввиду малой емкости преобразователя - мембраны (5-10 пФ) электретные микрофоны обладают повышенным выходным электрическим сопротивлением, для согласования которого с низким входным сопротивлением усилителя предназначена ИМС истокового повторителя. Основная функция ИМС - предварительное усиление электрического сигнала, вырабатываемого преобразователем информации. ИМС истокового повторителя характеризуется основным электрическим параметром - коэффициентом передачи по напряжению, который определяет главные электроакустические параметры электретного микрофона - его минимальную чувствительность и шумы. Коэффициент передачи в идеальном случае должен стремиться к единице и зависит от характеристик основного элемента ИМС истокового повторителя - полевого транзистора с управляющим /?-и~переходом. Существующие ИМС истоковых повторителей (КБ1402УЕ1 и КБ1403УЕ1), которые производились для электретных микро-
фонов серии М4 Тульского завода ОАО «Октава», имели коэффициент передачи по напряжению 0,35-0,4 при проходной емкости схемы измерения Cs = 10 пФ. Измерения показывают, что из-за недостаточно большого входного импеданса коэффициент передачи по напряжению этих микросхем резко падает при уменьшении эквивалентной проходной емкости Cs (рис. 1).
п питание
Лч/
вход —О-
выход
—о
Rl
общий
Рис. 1. Принципиальная схема ИМС истокового повторителя с эквивалентным
источником сигнала на входе
ИМС истокового повторителя работает от напряжения воздушно-цинковой батарейки или аккумулятора (1,2-1,5 В), на которых возникают пульсации напряжения питания вследствие больших токов в нагрузке ИМС-усилителя и конечного внутреннего сопротивления батарейки. Проникая на вход усилителя через электретный микрофон, пульсации увеличивают искажения выходного сигнала, и для их подавления применяют ЯС-фильтр, который можно исключить, если запитывать истоковый повторитель от внутреннего стабилизатора ИМС-усилителя (0,9-0,95 В). При этом важно, чтобы ИМС истокового повторителя была работоспособна при напряжении питания 0,8-0,9 В.
В России и СНГ вопросы создания истоковых повторителей для малогабаритных электретных микрофонов решались Ивановым А.А., Семяки-ным Ф.В., Вяхиревым В.Б., Алексеевым В.Ф. Решением данных задач за рубежом посвящены работы Р. С. Loizou, G.H. Armand, P. Bergveld, Van der Donk. В
то же время возможности создания микросхем истоковых повторителей с улучшенными параметрами для преобразователей с малой емкостью мембраны до конца не изучены, и в настоящее время в России и СНГ не производят ИМС истокового повторителя и малогабаритные электретные микрофоны, работающие при напряжении питания 0,9 В. В связи с разработкой на ОАО «Октава» новых электретных микрофонов (серии М2 и М7) для малогабаритных внутри-канальных слуховых аппаратов, возникла необходимость в повышении их звуковой чувствительности и разработке новой ИМС истокового повторителя с высоким коэффициентом передачи по напряжению, способной работать при малой ёмкости мембраны (около 5 пФ) и напряжении питания 0,8-0,9 В.
Цель работы состоит в разработке технологии проектирования и изготовления ИМС истокового повторителя с заданной совокупностью электрических параметров и характеристик для первичных преобразователей информации, в частности, для электретных микрофонов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы схемотехнического анализа, линейной алгебры, математической статистики, численные методы решения дифференциальных уравнений. Моделирование проводилось с использованием пакета программ САПР TCAD фирмы ISE Integrated Systems Engineering AG, Швейцария. Экспериментальное исследование разработанной ИМС осуществлялось по стандартным методикам измерений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработан метод определения параметров схемотехнической модели полевого транзистора по результатам измерений электрических параметров ИМС истокового повторителя, учитывающий режим работы полевого транзистора в составе ИМС и позволяющий определять параметры модели с погрешностью от 3 до 24% без изготовления и измерения параметров тестовых полевых транзисторов;
выведены аналитические соотношения и разработана аналитическая модель ИМС истокового повторителя, позволяющие сформулировать начальные требования к геометрическим размерам канала полевого транзистора в топологии ИМС;
разработана методика проектирования ИМС истокового повторителя, устанавливающая критерии и последовательность выбора параметров элементов ИМС, что позволяет создавать микросхемы с требуемым набором электрических параметров и значительно улучшить их по сравнению с существующими аналогами: снизить минимальное напряжение питания до 0,9 В, более чем на 35% повысить коэффициент передачи по напряжению, в 2 раза увеличить входной импеданс, на 60% понизить выходное сопротивление.
Практическая значимость исследования. Полученные в диссертации теоретические и практические результаты позволяют создавать качественно новые приборы для медицины - слуховые аппараты, работающие при пониженном напряжении (до 0,9 В), для измерительной техники, осуществлять диагностику параметров ИМС:
разработанный метод определения параметров схемотехнической модели полевого транзистора Шихмана-Ходжеса позволяет экстрагировать параметры модели полевого транзистора (коэффициент, определяющий крутизну, пороговое напряжение, коэффициент модуляции длины канала, барьерные ёмкости />-и-переходов) в составе ИМС истокового повторителя без изготовления тестовых полевых транзисторов;
разработанная физическая структура полевого транзистора в ИМС истокового повторителя позволяет получить пороговое напряжение в пределах 0,6-0,8 В, сохранить стабильность электрических параметров ИМС при понижении напряжения питания до 0,9 В, исключить дополнительные навесные элементы і?С-фильтра;
разработанные двухмерная физико-топологическая модель полевого транзистора с неоднородно легированным каналом и аналитическая модель ИМС ис-
токового повторителя позволяют реализовать технологию проектирования и изготовления микросхемы с заданной совокупностью электрических параметров.
Реализация и внедрение результатов работы. Рекомендации и результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены при разработке и производстве ИМС истокового повторителя на ООО «НПП «Инмикротех», г. Саранск (акт о внедрении в приложении к диссертации). Опытная партия электретных микрофонов серии М4 на основе разработанной ИМС была изготовлена и испытана на предприятии ОАО «Октава», г. Тула. Результаты испытаний показали, что электроакустические параметры микрофонов соответствуют предъявляемым к ним техническим нормам, а разработанная ИМС пригодна для их серийного производства (акт об испытаниях в приложении к диссертации).
На защиту выносятся:
- метод определения параметров схемотехнической модели полевого
транзистора по результатам измерений электрических параметров ИМС исто
кового повторителя с целью выработки требований к технологии производства
ИМС с улучшенными электрическими параметрами без изготовления и измере
ния параметров тестовых полевых транзисторов;
- аналитические соотношения, устанавливающие связь электрических па
раметров ИМС истокового повторителя с физико-топологическими параметра
ми канала полевого транзистора и параметрами элементов ИМС;
- физическая структура полевого транзистора с управляющим р-п-
переходом и технологический маршрут изготовления ИМС истокового повто
рителя, позволяющие получить пороговое напряжение полевого транзистора в
пределах 0,6-0,8 В и сохранить стабильность электрических параметров ИМС
при понижении напряжения питания до 0,9 В;
- методика проектирования ИМС истокового повторителя, которая уста
навливает критерии и последовательность выбора параметров элементов ИМС
и позволяет изготовлять новые качественные микросхемы для преобразовате
лей информации;
- топология кристалла ИМС истокового повторителя с оптимальными параметрами элементов (размеры канала, площадь диода смещения, сопротивление нагрузки).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (г. Саранск, МГПИ, 2003 г.), XXXIII-XXXV Огаревских чтениях Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева (г. Саранск, 2004-2007 г.г.), Международной научно-технической конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, УлГУ, 2006 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (г. Саранск, МГУ им. Н.П. Огарева, 2005-2006 г.г.), Всероссийской научно-практической конференции «Электроника-2006» (г. Москва, МИЭТ, 2006 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Методы создания, исследования материалов, приборов и экономические аспекты микроэлектроники» (г. Пенза, ПТУ, 2006 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света» (г. Саранск, МГПИ, 2007 г.), Конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева (г. Саранск, 2006, 2007 г.г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 16 публикациях, из них 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Сравнительный анализ существующих ИМС истокового повторителя
Усилители-повторители типа КБ1402УЕ1 и КБ1403УЕ1 ранее изготавливались на предприятиях в г. Таллине и г. Ташкенте для электретных микрофонов серии М4 с емкостью мембраны 10 пФ. При этом их коэффициент передачи по напряжению составлял, соответственно, 0,4-0,5 и 0,36-0,4 [13-15]. Усилитель-повторитель для электретных микрофонов КА1436УЕ1, изготавливаемый на производственном объединении «Интеграл», г. Минск, Республика Беларусь имеет коэффициент передачи по напряжению 0,37-0,4 при проходной емкости схемы измерения 10 пФ. Из-за недостаточно большого входного импеданса такие ИМС не позволяют получить требуемые минимальную чувствительность и шумовые характеристики электретных микрофонов уменьшенных габаритов (М2иМ7).
Все существующие ИМС истокового повторителя не способны функционировать при понижении напряжении питания до 0,9 В и при малой емкости мембраны электретного микрофона (5 пФ и менее). Электретные микрофоны уменьшенных размеров могут применяться в более компактных и незаметных слуховых аппаратах внутриушного и внутриканального исполнения. Для таких электретных микрофонов существует потребность в разработке и изготовлении новой ИМС истокового повторителя, работающей при малой емкости мембраны.
Актуальность разработки такой ИМС не оставляет сомнений, поскольку в России и СНГ не изготавливаются малогабаритные электретные микрофоны и ИМС истокового повторителя, работающие при пониженном напряжении питания 0,9 В и малой емкости мембраны. Новая ИМС истокового повторителя позволит повысить чувствительность и снизить уровень шумов электретных микрофонов, что может качественно улучшить параметры преобразователей информации, например, слуховых аппаратов, по сравнению с зарубежными аналогами. При разработке новой ИМС истокового повторителя необходимо провести анализ существующих аналогов и сформулировать требования к параметрам элементов ИМС, при которых можно существенно повысить коэффициент передачи по напряжению, увеличить входной импеданс, понизить ток потребления, понизить минимальное напряжение питания. В идеальном случае истоковый повторитель должен иметь коэффициент передачи по напряжению равный единице. Однако на практике его значение меньше, поскольку на входе микросхемы истокового повторителя всегда присутствует паразитный емкостной делитель, образованный емкостью мембраны электретного микрофона Cs и входной емкостью С; (рис. 1.2) [20-22]. Коэффициент передачи по напряжению определяется как крутизной прямой передачи полевого транзистора, так и входной емкостью ИМС, которые зависят от площади затвора полевого транзистора, то есть геометрических размеров канала — длины и ширины.
Для повышения коэффициента передачи по напряжению необходимо с одной стороны обеспечить большую крутизну прямой передачи полевого транзистора, а с другой - малую входную емкость ИМС. Для повышения крутизны полевого транзистора нужно уменьшать длину и увеличивать ширину канала, а для уменьшения входной емкости ИМС - уменьшать длину и ширину одновременно. С учетом того, что минимальная длина канала технологически ограничена, повысить крутизну прямой передачи и снизить входную емкость ИМС, при этом существенно повысив коэффициент передачи по напряжению, можно за счет выбора оптимальной ширины канала [22]. Сделанное предположение необходимо подтвердить, выведя аналитические соотношения, связывающие параметры канала полевого транзистора с коэффициентом передачи по напряжению ИМС истокового повторителя.
Прежде чем приступить к разработке аналитической модели ИМС истокового повторителя, необходимо провести анализ принципиальных электрических схем существующих ИМС истокового повторителя и выбрать принципиальную схему, позволяющую получить требуемую совокупность электрических параметров ИМС для преобразователей информации, в частности, для малогабаритных электретных микрофонов. В ходе исследования существующих ИМС истокового повторителя были рассмотрены несколько вариантов принципиальных электрических схем: 1 - схема с активной нагрузкой на полевом транзи сторе; 2-е полевым транзистором и резистором нагрузки; 3-е полевым транзистором и двумя резисторами нагрузки.
1. Одной из электрических принципиальных схем истокового повторителя является схема с активной нагрузкой, реализованной на двух полевых транзисторах (рис. 1.3). В такой схеме транзистор VT2 используется в качестве нагрузки и является источником тока с высоким выходным сопротивлением, который, по сути, работает как резистор, управляемый напряжением [24, 25]. При ее реализации в ИМС получить высокий коэффициент передачи по напряжению можно только в случае, если входное сопротивление последующего усилителя RiA велико и порядка нескольких сотен кОм и выше.
Имеется другой недостаток данной схемы, ограничивающий ее использование в новой ИМС. В существующей полупроводниковой технологии имеется определенная погрешность воспроизведения глубин p-n-переходов физической структуры ИМС, которая приводит к погрешности воспроизведения глубины канала полевого транзистора.
Из перечисленных преимуществ можно сделать вывод, что принципиальная схема с полевым транзистором и резистором нагрузки предпочтительнее схемы с активной нагрузкой на полевом транзисторе. Принципиальная схема с одним резистором нагрузки ранее была реализована в ИМС КБ1402УЕ1 и КБ1403УЕ1, однако у них наблюдался сравнительно низкий коэффициент передачи по напряжению [13, 14].
Третья принципиальная электрическая схема содержит полевой транзистор и два резистора нагрузки (рис. 1.5), один из которых включен между исто ком полевого транзистора и подложкой ИМС, а другой подключен между подложкой и выводом «общий» (землей) [27]. Основным преимуществом данной схемы и одновременно ее недостатком является то, что использование дополнительного резистора R2 с одной стороны приводит к увеличению коэффициента передачи по напряжению, а с другой - к увеличению минимального напряжения питания.
Электрическая принципиальная схема с полевым транзистором и двумя резисторами нагрузки (рис. 1.5) была реализована в ИМС П-94, изготовленной на ОАО «Орбита», г. Саранск, и ИМС КА1436УЕ1, изготовленной на производственном объединении «Интеграл», г. Минск, Республика Беларусь. Результаты измерения электрических параметров ИМС П-94 и КА1436УЕ1 показали, что ее работоспособность сохраняется при понижении напряжении питания до 1,0-1,1В. Поэтому такая принципиальная схема также не подходит для реализации в разрабатываемой ИМС, поскольку для работы полевого транзистора в режиме насыщения требуется большее напряжение питания по сравнению с принципиальной схемой с одним резистором нагрузки.
В целом можно сделать следующий вывод. Проведенный анализ принципиальных электрических схем существующих ИМС истокового повторителя показал, что для реализации в разрабатываемой ИМС наиболее приемлемой является принципиальная схема с полевым транзистором и одним резистором нагрузки. При этом новая ИМС будет иметь стабильные электрические параметры при высоком проценте выхода годных изделий, требуемое минимальное напряжение питания, будет хорошо согласована с последующим усилителем.
Вывод соотношений для определения параметров модели полевого транзистора
Как уже было сказано, в программах схемотехнического моделирования для полевых транзисторов используется модель Шихмана-Ходжеса. Для того, чтобы коэффициент передачи по напряжению и ток потребления ИМС не зависели от напряжения питания, полевой транзистор должен работать в режиме насыщения нормального включения.
В (2.18) Vg = VD - напряжение на затворе полевого транзистора относительно отрицательного зажима источника питания, равное прямому падению напряжения на диоде смещения VD; Vs = Id Rb _ напряжение на истоке полевого транзистора относительно отрицательного вывода источника питания.
В общем случае модель диода можно описать параллельным включением двух диодов, описываемых двумя характеристиками - идеальной и неидеальной. В этом случае общий ток через диод представляет собой прямой ток идеального диода и рекомбинационный ток неидеального диода. (2.27) Из (2.27) следует, что при соотношении токов ISRD И ISR В 10 И 100 раз, токи через диоды VD1 и VD2, определяемые уравнениями (2.25) и (2.26), равны при напряжении на диоде соответственно 0,12 В и 0,24 В. При падении напряжения ОД В и соотношении ISRD/ISD =100 ток 1вг примерно в 15 раз больше тока IDn- Поэтому при напряжении на затворе порядка 0,1 В обратный ток затвора полевого транзистора протекает преимущественно через неидеальный диод VD1, то есть IDr» IDH
Далее определяется коэффициент модуляции длины канала. Его можно оценить из измерения зависимости коэффициента передачи по напряжению от напряжения питания. Если полевой транзистор работает в режиме насыщения, то токи стока 1 п, Id2 при двух значениях напряжения питания ИМС истокового повторителя Vccb Vcc2 будут определяться соотношениями.
С учетом полученного значения X уточняются параметры (3 и пороговое напряжение VTO ПО соотношениям (2.13) и (2.19), а также сам параметр X для лучшего соответствия экспериментальных результатов и результатов моделирования. Токи насыщения диодов полевого транзистора Is, ISR и диода смещения ISD, ISRD практически не влияют на передаточные характеристики полевого транзистора, поэтому они могут быть выбраны произвольно, но пропорционально площадям соответствующих p-n-переходов, поскольку их соотношение влияет на значение напряжения затвор - исток и ток потребления истокового повторителя [20, 40, 41].
Емкости в моделях полевого транзистора и диода смещения, а также паразитная емкость соединений (Cgd, Cgs, CJD, Ср) (рис. 2.2) выделяются из значения эквивалентной входной емкости ИМС истокового повторителя С;. Эквивалентная входная емкость, равная сумме всех емкостей, определяется из выражения (2.9).
Для экстракции емкостей р-п-переходов при нулевом смещении необходимо знать соотношение площадей р-п-переходов диода и затвора полевого транзистора AD/Ag, определяемое по топологии кристалла ИМС. Площади переходов затвор-исток и затвор-сток, как правило, равны. Если и диод смещения, и затвор полевого транзистора выполнены на однотипном p-n-переходе, их удельная емкость одинакова.
Для проектирования ИМС истокового повторителя с улучшенными электрическими параметрами необходимо разработать аналитическую модель ИМС, позволяющую определить требования к элементной базе и спроектировать ИМС с заданной совокупностью электрических параметров [44]. Полученная аналитическая модель позволяет под требуемый набор электрических параметров ИМС сформулировать начальные требования к параметрам элементов. Такая модель разработана на основе вывода аналитических соотношений, которые в первом приближении определяют зависимости электрических параметров ИМС истокового повторителя от параметров элементов и параметров физической структуры полевого транзистора. Анализ математических выражений и полученных на их основе зависимостей позволяет установить начальные требования к параметрам полевого транзистора, диода смещения и резистора нагрузки электрической принципиальной схемы ИМС истокового повторителя.
Основные математические соотношения, устанавливающие критерии по выбору параметров элементов ИМС, могут быть получены, исходя из требований к режиму работы полевого транзистора в составе ИМС и исходной совокупности её электрических параметров. Например, для электретных микрофонов слуховых аппаратов требуется, чтобы электрические параметры ИМС были стабильны при понижении напряжения питания до 0,9 В, ИМС имела высокий входной импеданс и низкое выходное сопротивление. Общее требование для микросхем истоковых повторителей - высокий коэффициент передачи по напряжению, от которого зависят минимальная чувствительность и шумы элек-третного микрофона [15].
Разработка аналитической модели подразумевает собой вывод соотношений схемотехнической модели ИМС, устанавливающей связь электрических параметров с параметрами моделей элементов ИМС, и вывод соотношений физико-топологической модели ИМС, устанавливающей связь параметров модели полевого транзистора и электрических параметров ИМС с геометрическими размерами канала. Соотношения физико-топологической модели ИМС получены путем преобразования соотношений схемотехнической модели ИМС с использованием соотношений квазидвухмерной физической модели полевого транзистора, основанной на приближении однородно легированного канала [26]. Выведенные аналитические соотношения позволяют получить зависимости электрических параметров ИМС от параметров элементов с целью установления начальных критерий по выбору параметров элементов и проектирования ИМС с требуемой совокупностью электрических параметров.
Для питания электретных микрофонов в малогабаритных устройствах используется обычно или воздушно-цинковая батарейка с напряжением 1,5 В или аккумулятор с напряжением 1,2 В [23]. При большой амплитуде выходного сигнала и тока в нагрузке устройства (телефоне) на элементе питания возникают нежелательные пульсации напряжения. Ввиду обратной связи эти пульсации проникают через электретный микрофон на вход усилителя и вносят искажения в выходной сигнал. Для исключения пульсаций питающего напряжения и стабилизации напряжения питания электретного микрофона используется фильт рующий элемент - RC-фильтр. Необходимость в фильтрующем элементе заставляет использовать дополнительные навесные элементы, что усложняет устройство. В слуховых аппаратах в целях исключения дополнительных элементов RC-фильтра и упрощения устройства для питания электретных микрофонов и ИМС истокового повторителя можно использовать внутренний стабилизатор ИМС усилителя слухового аппарата с напряжением в диапазоне 0,9-0,95 В [21]. Однако, такая возможность заставляет понизить минимальное напряжение питания ИМС истокового повторителя до 0,8-0,9 В. В настоящее время в России не изготавливаются микросхемы истокового повторителя и электретные микрофоны, которые были бы способны функционировать при напряжении питания 0,9 В. Понижение напряжения питания ИМС истокового повторителя позволяет работать электретному микрофону в условиях разряженного аккумулятора, что увеличивает время его работы в слуховом аппарате.
Исходные параметры диффузионных профилей легирования структуры полевого транзистора
Исходные параметры для диффузионных профилей легирования в моделируемой структуре полевого транзистора задаются на основании данных, полученных при технологическом моделировании полевого транзистора в программе DIOS. Определение размеров и границ структуры, а также параметров диффузионных профилей и их положения в структуре производился в программе MDRAW. MDRAW является частью пакета САПР TCAD.
В состав MDRAW входят: 1 - редактор границ; 2 - редактор легирования и измельчения; 3 - редактор сценариев, поддерживающий синтаксис языка программирования Tel; 4 - генератор сетки. С помощью этих редакторов создается информация о границах, легировании и измельчении, а также генерируются сетки, удовлетворяющие требованиям моделирования приборов.
При задании профиля легирования необходимо указать тип распределения легирующей примеси в объеме структуры. Поскольку при высокотемпературной разгонке и отжиге процесс диффузии осуществляется из ограниченного источника, при моделировании использовался гауссовский профиль распределения примеси в легирующих областях. Гауссовский профиль распределения примеси определяется следующими параметрами: максимальная концентрация имплантированных ионов NP, проекция длины пробега Rp, для определения профиля задается либо глубина залегания p-n-перехода Xj и концентрация на
этой глубине NXj, либо стандартное отклонение проекций длины ARp [38, 42]. В САПР TCAD для моделирования легирующих профилей, описываемых распределением Гаусса, использовались параметры NP, Rp, Xj и NXj. Для каждого легирующего профиля задавалась максимальная концентрация NP. Проекция длины пробега или положение максимума Rp задается исходя из энергии имплантированных ионов. Для определения профиля также требуется указать глубину сформировавшегося р-п-перехода Xj и концентрацию легирующей примеси на глубине сформированного р-п-перехода NXJ.
Таким образом, в программе MDRAW была сформирована двухмерная структура полевого транзистора для физико-топологического моделирования. Для моделируемой структуры полевого транзистора были заданы следующие параметры, указанные в таблице 3.2:
Для низколегированной п -области канала (2) (рисунок 3.1) с глубиной залегания р-п-перехода XJC = 0,75 мкм и поверхностным сопротивлением Rs = 2700 Ом/квадрат максимальная концентрация легирующей примеси Np = 10 см", проекция длины пробега ионов Rp = 0,09 мкм.
Для п+-областей истока и стока (3), имеющих глубину залегания р-п-перехода XJS = 1,2 мкм и поверхностное сопротивление Rs = 20 Ом/квадрат, максимальная концентрация легирующей примеси Np = 1,4-1020 см"3, проекция длины пробега ионов Rp = 0,09 мкм.
Для р+-области затвора (4), имеющей глубину залегания р-п-перехода XJG = 0,3 мкм и поверхностное сопротивление Rs = 120 Ом/квадрат, максималь-ная концентрация NP = 10 см" . Проекция длины пробега ионов Rp = 0,31 мкм.
Сетка предназначается для разбиения моделируемой структуры на отдельные элементы (ячейки) и узлы, в которых затем программа DESSIS проводит численный расчет фундаментальной системы дифференциальных уравнений [52]. При измельчении сетки используется метод равносторонних треугольников.
Двухмерная структура полевого транзистора, созданная в программе MDRAW, показана на рис. 3.2. При физико-топологическом моделировании полевого транзистора в качестве критичных размеров выступают геометриче ские размеры области канала, то есть длина L, глубина а и ширина канала Z. За длину канала L принимается длина донной части р-п-перехода затвор-канал. На рис. 3.2 она определена линией CD легирующего профиля р+-области затвора. Ширина канала Z задается шириной донной части р-п-перехода затвор-канал или протяженностью моделируемой двухмерной структуры вдоль оси Z, которая направлена перпендикулярно сечению структуры. Протяженность двухмерной структуры можно задать масштабным коэффициентом Area в командном файле программы DESSIS, который по умолчанию для моделируемого прибора принимается равным 1 мкм [48, 52].
Длина моделируемой структуры определяется длиной канала и пассивных областей канала между контактами стока, истока и затвором. Она изменя ется в пределах 61,5-64 мкм. Длина донной части легирующих профилей для п+-областей истока и стока равна 10 мкм (отрезки АВ и EF на рис. 3.2). Длина пассивных областей между р+-областью затвора и п+-областями истока и стока принималась равной 10 мкм.
В целях уменьшения числа элементов сгенерированной расчетной сетки и сокращения времени моделирования толщина р-подложки выбрана равной 5 мкм. Выбирать толщину подложки более 5 мкм не рекомендуется, поскольку тогда число узлов расчетной сетки будет превышать 10 тыс. элементов, и при этом ухудшается сходимость численного расчета.
Определение минимального напряжения питания ИМС
Для моделирования входного импеданса разрабатываемой ИМС истоко-вого повторителя была использована методика измерения входного импеданса ИМС усилителей, которая отражена в ГОСТ 19799-74 [39]. Данная методика заключается в определении входного импеданса по значению входной емкости ИМС истокового повторителя С;, определяемой выражением (2.9). Для расчета входной емкости необходимо определить коэффициент передачи емкостного делителя на входе ИМС А]. При этом необходимо смоделировать принципиальную схему ИМС при двух значениях разделительной емкости на входе схемы Csi и CS2, и в каждом случае определить амплитуду выходного напряжения ИМС.
Проходная емкость Cs2 должна быть много больше проходной емкости Csi и входной емкости С;, то есть CS2 » Csi И CS2 » С;. Это необходимо для исключения влияния емкостного делителя на входе ИМС, и тогда коэффициент передачи по напряжению будет определяться коэффициентом передачи А2, обусловленным конечной крутизной полевого транзистора, согласно выражению (2.6). Определив при моделировании коэффициент передачи по напряжению при двух значениях проходной емкости Csi и Cs2, можно рассчитать коэффициент передачи емкостного делителя Ai согласно выражению (2.8). Если амплитуда выходного напряжения ИМС при проходной емкости Csi и Cs2 соответственно Voi и Vo2 то выражение (2.8) можно переписать как
Принципиальная схема для моделирования входного импеданса соответствует схеме, приведенной на рис. 3.9. Моделирование осуществляется при двух значениях проходной емкости Csi = 10 пФ и Cs2 = 2700 пФ. В результате моделирования определены соответствующие значения амплитуды выходного напряжения и определен входной импеданс смоделированной ИМС истокового повторителя на частоте 1 кГц согласно (3.9), который составил Rj « 98 МОм.
Для моделирования выходного сопротивления разрабатываемой ИМС истокового повторителя аналогичным образом использована методика измерения выходного сопротивления ИМС усилителей, которая описана в ГОСТ 19799-74 [39]. При определении выходного сопротивления данная методика заключается в определении коэффициента передачи по напряжению принципиальной схемы ИМС в двух случаях, при подключении резистивного делителя на выходе ИМС и при его отсутствии. В первом случае параллельно выходу ИМС истокового повторителя подключается сопротивление RD (рис. 3.18), примерно равное ее выходному сопротивлению (3,5 кОм), которые в паре образуют резистивный делитель. Последовательно RD на землю подключается емкость Со, назначение которой развязать выход по постоянной составляющей, не изменяя режима работы схемы. Резистивный делитель по выходу шунтирует переменный сигнал и уменьшает амплитуду сигнала пропорционально выходному сопротивлению ИМС. По двум значениям амплитуды выходного сигнала при подключении делителя (Voi) и при его отсутствии (V02) можно пересчитать выходное сопротивление ИМС истокового повторителя.
Для исключения влияния реактивного сопротивления конденсатора 1/ооС на общее сопротивление RC-цепи по переменному сигналу величину емкости конденсатора выбирают такой, чтобы на частоте 1 кГц его реактивное сопротивление составляло не более 1% от сопротивления резистора, т.е. l/coCD « RD.
Напряжение шумов ИМС истокового повторителя — один из электрических параметров, от которого зависят величина шумов и соотношение сигнал/шум малогабаритного электретного микрофона. Для оценки напряжения шумов на выходе разрабатываемой ИМС истокового повторителя проводилось их моделирование с использованием САПР TCAD. Напряжение шумов на выходе ИМС истокового повторителя Vno согласно методике, описанной в ГОСТ 19799-74 [39], обычно определяется в полосе звуковых частот 50 Гц - 10 кГц и измеряется в мкВ.
Основной вклад в общий шум ИМС истокового повторителя вносят тепловой шум сопротивления RL и дробовый шум эквивалентных источников тока полевого транзистора [60, 61]. Поэтому при моделировании были исследованы зависимости напряжения шумов от параметров элементов, которые наиболее сильно влияют на ток потребления ИМС истокового повторителя. Такими параметрами являются пороговое напряжение VTo и сопротивление нагрузки RL.
Результирующие зависимости напряжения шумов на выходе ИМС от тока потребления Vno(Icc) приведены на рис. 3.19. Для изменения тока потребления ИМС в пределах 15-70 мкА сопротивление нагрузки изменялось в пределах 5— 40 кОм. Абсолютная величина порогового напряжения для изменения тока потребления выбиралась в пределах 0,3-1 В, при этом величина сопротивления нагрузки выбрана равной RL = 18 кОм.
Из полученных зависимостей можно сделать вывод, что напряжение шума на выходе ИМС в полосе частот 50 Гц - 10 кГц и в диапазоне токов ИМС 15-70 мкА не превышает 0,9 мкВ. К примеру, напряжение шумов ИМС КА1436УЕ1 составляет не более 2,5 мкВ. На рис. 3.19 показана зависимость теплового шума сопротивления нагрузки полевого транзистора при изменении тока потребления, вызванного изменением величины сопротивления нагрузки.
В результате проведенного схемотехнического анализа с использованием выведенных аналитических соотношений и результатов физико-топологического моделирования принципиальной схемы ИМС истокового повторителя сформулирована методика проектирования и выбора параметров элементов ИМС истокового повторителя, которая универсальна и позволяет спроектировать ИМС истокового повторителя с требуемым набором электрических параметров ИМС.
1. Проектирование ИМС истокового повторителя начинается с выбора порогового напряжения полевого транзистора. Для получения максимального коэффициента передачи по напряжению пороговое напряжение должно быть наибольшим. При уменьшении порогового напряжения ввиду уменьшения глубины канала крутизна полевого транзистора и коэффициент передачи по напряжению ИМС уменьшается, а при пороговом напряжении (0,45 В) резко падает из-за начала сильного обеднения канала основными носителями заряда, как следует из результатов физико-топологического моделирования. Из условия стабильности электрических параметров истокового повторителя при понижении напряжения питания ИМС максимальная абсолютная величина порогового напряжения ограничена минимальным напряжением питания. Напряжение питания ИМС истокового повторителя может варьироваться в широких пределах (0,9-42 В). Максимальная величина напряжения питания ИМС ограничивается напряжением лавинного пробоя р-п-перехода сток-исток полевого транзистора.
2. Исходя из требуемого порогового напряжения, определяется требование к глубине канала полевого транзистора и технологическому маршруту, при котором она может быть сформирована.
3. Сопротивление нагрузки полевого транзистора влияет на коэффициент передачи, ток потребления и выходное сопротивление ИМС. С увеличением сопротивления нагрузки растет коэффициент передачи по напряжению и выходное сопротивление, но падает ток потребления. Максимальная величина сопротивления нагрузки ограничивается максимальным выходным сопротивлением ИМС. Минимальная величина сопротивления нагрузки задается пороговым напряжением полевого транзистора и максимальным током потребления ИМС. Таким образом, сопротивление нагрузки выбирается оптимальным, при котором выходное сопротивление и ток потребления не превышает заданных норм.
4. Основными параметрами диода смещения является его площадь, от которой зависит входная емкость ИМС, и прямое падение напряжения на диоде, от которого зависит минимальное напряжение питания ИМС. При увеличении площади диода растет входная емкость, а при уменьшении площади - растет прямое падение напряжения. Исходя из этого, площадь диода должна выбираться оптимальной, при которой прямое падение напряжения не повышает минимальное напряжение питания более чем на 0,1 В.
