Введение к работе
Актуальность работы. При прецизионной обработке электрического сигнала а аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях, измерителях амплитуды тока и напряжения, вольтметрах, источниках ЭДС и т.д. требуется высокоточный источник опорного напряжения или стабилитрон. Последний должен обеспечивать заданную стабильность выходного напряжения при воздействии на него множества дестабилизирующих факторов, таких как колебания тока стабилизации, температура окружающей среды, долговременные изменения электрофизических свойств материала, из которого изготовлен стабилитрон и других.
Поэтому создание прецизионных стабилитронов высокого класса точности является важной научно-технической задачей, решение которой оказалась по плечу лишь нескольким ведущим электронным фирмам США и некоторым отечественным предприятиям.
Лучшие образцы прецизионных стабилитронов имеют класс точности порядка нескольких десятитысячных процента, но развитие радиоэлектронной аппаратуры требует прецизионных стабилитронов более высокого класса точности, с меньшими затратами на изготовление. В этой ситуации весьма актуальны поиски новых конструктивных и технологических способов создания подобных приборов.
В течение десятилетий кремниевые прецизионные стабилитроны на основе электрического пробоя обратно смещенного р-п перехода были единственными высокостабильными источниками опорного напряжения.
Однако развитие новых экономичных типов интегральных схем, построенных на комплементарных структурах металл-оксид- полупроводник - КМОП ИС (примерно 82% от общего объема годового выпуска) и переход на пониженные напряжения питания привели к созданию большого количества классов электронных устройств, способных длительное время работать от автономных источников питания. Для таких устройств, традиционные кремниевые стабилитроны, какими бы замечательными параметрами они ни обладали, оказываются непригодными в силу большой потребляемой мощности и высокого значения выходного напряжения.
Поскольку низковольтный прецизионный стабилитрон на основе пробоя обратно смещенного р-п перехода ни на одном из известных полупроводниковых материалов реализовать оказалось принципиально невозможно как у нас ь стране, так к за рубежом, были предприняты попытки создания интегральных микросхем, обладающих вольт- амперными характеристиками стабилитронно-го типа- интегральных стабилитронов.
Разработки и исследования интегральных стабилитронов на основе технологии изготовления КМОП ИС привели к созданию стабилитронов пригодных для использования лишь в аппаратуре ограниченного назначения. Однако разработать КМОП источник опорного напряжения высокого класса точности так и не удалось.
Одновременно проводились работы по созданию интегральных стабилитронов, изготавливаемых по биполярной кремниевой технологии. И именно в этом направлении разработчиков ждал успех. Сочетание фундаментальных свойств прямо смещенного р-п перехода со специальными схемотехническими методами позволило создать особый класс прецизионных биполярных интегральных схем: прецизионных интегральных стабилитронов с напряжением стабилизации, пропорциональным ширине запрещенной зоны кремния (ШЗЗК). Большинство фирм развитых стран и по сей день поставляют потребителям именно такие микромощные низковольтные интегральные стабилитроны.
В России был разработан единственный представитель этого класса приборов- прецизионный микромощный интегральный стабилитрон с напряжением стабилизации равным 1.2 В. Он обладает отличными высокостабильными характеристиками, работает при рекордно малых значениях рабочего тока (не более 100 мкА). Однако получение приборов лучших групп точности весьма трудоемко из-за технологического разброса параметров прибора. Уменьшение издержек и повышение эффективности производства интегральных прецизионных стабилитронов лучших групп точности диктовало необходимость разработки такой конструкции прибора, которая позволяла бы производить подстройку значений выходных параметров еще на стадии изготовления кристалла.
Сохраняется актуальность создания интегральных стабилитронов с возможностью регулировки выходных характеристик, как в процессе производства, так и во время эксплуатации. Интегральный стабилитрон с регулируемыми выходными характеристиками позволит каждому потребителю получить именно то опорное напряжение, в котором он нуждается.
Целью работы является анализ и решение проблемы создания прецизионного интегрального стабилитрона с регулируемыми выходными характеристиками. При этом решаются следующие основные задачи:
-
исследование работы прямо смещенного р-п перехода в качестве источника опорного напряжения, разработка адекватной модели зависимости напряжения на прямо смещенном р-п переходе от температуры;
-
поиск оптимального способа компенсации нелинейности температурной зависимости напряжения на прямо смещенном р-п переходе;
-
разработка схемотехники и оптимизация параметров элементов схемы интегрального прецизионного стабилитрона с регулируемыми выходными характеристиками, исследование методов уменьшения температурного коэффициента напряжения стабилизации (ТКН);
-
разработка методов подстройки напряжения стабилизации и ТКН прибора на кристалле и с помощью внешнего третьего вывода;
-
разработка технологии изготовления прецизионного интегрального стабилитрона с регулируемыми выходными характеристиками, изготовление приборов и исследование их электрических и температурных характеристик;
-
анализ экспериментальных результатов и сравнение с теоретически рассчитанными параметрами схемы интегрального стабилитрона, оценка правильности выбранной конструкции интегрального стабилитрона и метода подстройки выходных параметров прибора.
Научная новизна. В работе получены следующие основные научные результаты:
1. Детальный анализ вольт-амперной характеристики прямо смещенного р-п перехода доказал возможность применения прямо смещенного диода в качестве источника опорного напряжения. Показано, что температурная нестабильность интегрального стабилитрона, построенного на прямо смещенных р-п переходах, тем меньше, чем ближе значение напряжения стабилизации к величине ширины запрещенной зоны кремния. Это фундаментальное свойство интегральных стабилитронов с напряжением стабилизации, пропорциональным ШЗЗК. Оно свидетельствует о том, что оптимальное значение напряжения стабилизации, соответствующее минимально достижимому уровню температурной нестабильности стабилитрона, не зависит от конструкции и технологии изготовления прибора.
-
Установлено, что практическая реализация соотношения между величинами ШЗЗК и температурным коэффициентом напряжения стабилизации (0) не тривиальна. Предложена аппроксимирующая зависимость ШЗЗК от температуры, позволяющая оптимизировать технологический процесс изготовления прецизионных интегральных стабилитронов.
-
В качестве одного из возможных способов повышения эффективности функционирования прибора предложен оригинальный метод коррекции нелинейности зависимости напряжения стабилизации от температуры. Суть метода- введение дополнительного каскада схемы, который вырабатывает напряжение, квадратично зависящее от температуры среды. Последнее компенсирует нелинейный член в зависимости напряжения на прямо смещенном диоде от температуры и позволяет уменьшить результирующую температурную нестабильность напряжения стабилизации по крайней мере на половину порядка величины.
Практическая ценность работы.
1. Показано, что реализация рентабельного производства приборов возможна только с применением регулировки напряжения стабилизации и ТКН. Предложены и обоснованы методы «внутренней» и «внешней» регулировки. При этом практически все выпускаемые приборы будут по меньшей мере соответствовать требованию Ост < 0.005 %/С, а дорогостоящая операция измерения ТКН исключается.
-
На основе комплексного анализа типовых технологических процессов и специфических требований, предъявляемых к операции изготовления интегральных стабилитронов, предложена и опробована в производстве технология изготовления прецизионного интегрального стабилитрона с регулируемыми напряжением стабилизации и ТКН.
-
Выбран и экспериментально обоснован набор специфических операций геттерирования, обеспечивающих получение биполярных транзисторов с требуемым коэффициентом усиления.
-
Исследование образцов опытных партий приборов показало разумное соответствие экспериментальных результатов теоретическим выводам, полученным в работе. Подтверждены значения ожидаемых параметров приборов, а именно:
UCT = 2.49 В ±2%; гст <; 1.5 Ом; аст<0.01 %/С без подстройки; Ост < 0.005 %/С с подстройкой напряжения стабилизации на кристалле.
5. Сравнительный анализ показал, что по основным техни
ческим характеристикам разработанный прибор соответствует
лучшим зарубежным образцам. Однако, чтобы перекрыть весь диа
пазон параметров зарубежных приборов, требуется проведение до
полнительных исследований для уменьшения величины начально
го тока стабилизации до уровня не более 10 мкА.
На защиту выносятся:
-
Метод построения прецизионных интегральных стабилитронов с регулируемыми выходными характеристиками.
-
Технологический процесс изготовления прецизионных интегральных стабилитронов с регулируемыми выходными характеристиками.
3) Методика подстройки напряжения стабилизации и тем
пературного коэффициента напряжения стабилизации на кристалле
микросхемы интегрального стабилитрона.
Внедрение результатов работы.
Тема диссертации связана с отраслевой тематикой плановых научно- исследовательских работ. Результаты диссертации получены при выполнении 2 НИР и нашли практическое применение в производстве прецизионного интегрального стабилитрона с напряжением стабилизации 2.5В.
Апробация работы.
Апробация результатов работы проведена в процессе выступления автора на Всесоюзных и Всероссийских конференциях, совещаниях и семинарах:
-Научно-технические конференции Московского института радиотехники, электроники и автоматики;
-Международных симпозиумах по автоэлектронике и автоэлектрике «Изделия электронной техники и полупроводниковые датчики для автомобильных электронных систем управления», г. Суздаль, 1996, 1997
Публикации *
Основные результаты диссертации отражены в 10 работах. В диссертации использованы результаты многолетних, выполненных совместно с сотрудниками работ, которые нашли отражение в научно-технических отчетах по НИР и ОКР.
Структура и объем работы.
