Пример оформления отчета по учебной практике-13. Особенности топологии согласованных структур с биполярными транзисторами

• Название: Особенности топологии согласованных структур с биполярными транзисторами
• Дата: 13.12.2022
• Размер: 3.25 Mb.
• Имя файла: Пример оформления отчета по учебной практике-13.docx
• Тип: Отчет; #843331

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра микро- и наноэлектроники


отчет

по учебной практике

Тема: Особенности топологии согласованных структур с биполярными транзисторами

Студент(ка) гр. 2281		Фамилия И.О.
Преподаватель		Гареев К.Г.

ЗАДАНИЕ

на УЧЕБНУЮ практику

Студент(ка) Фамилия И.О.
Группа 2281
Тема практики: Особенности топологии согласованных структур с биполярными транзисторами
Задание на практику: Провести поиск и анализ литературных данных по теме Подготовить отчет по учебной практике объемом 12–15 стр (14 шрифт, интервал 1,5, шрифт Times New Roman) Представить и защитить отчет по учебной практике (защита предполагается в очном или дистанционном формате в соответствии с форматом обучения в ЛЭТИ).
Сроки прохождения практики: 05.09.2022 – 23.12.2022
Дата сдачи отчета:
Дата защиты отчета:
Студент(ка)		Фамилия И.О.
Преподаватель		Гареев К.Г.

Аннотация

В рамках учебной практики были изучены основы топологического проектирования интегральных микросхем, выполняемых по технологии КМОП, на примере создания согласованной структуры биполярных транзисторов. Были рассмотрены характеристики данного типа транзисторов и их структура. Был разработан топологический чертеж искомой электрической схемы с учетом топологических особенностей.

Summary

In this report, the basics of CMOS integrated circuit topological design using the example of creating a matching structure of bipolar transistors were studied. The characteristics of this type of transistors and their structure were considered. A topology of the electrical circuit with special topological features was developed.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 1

1.1 Структура биполярных транзисторов 3

1.2 Характеристики биполярных транзисторов 4

1.3 Согласованные структуры 5

1.4Охранные кольца 8

1.5Выводы по разделу 1 9

ВВЕДЕНИЕ

Стремительное развитие электроники произошло в начале 60х годов прошлого века с изобретением транзисторов. Логические элементы на биполярных транзисторах в рамках ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) и ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) были популярны вплоть до конца 1990х годов за счет их высокого быстродействия. Однако из-за постоянной работы транзисторов в активном режиме потребляемая и выделяемая мощность были немалыми.

В настоящее время в области логических элементов доминирует другой вид транзисторов, а именно полевые. Поэтому доминирующей технологией является КМОП – с использованием комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник. Тем не менее создание биполярных транзисторов может быть интегрировано в стандартный технологический процесс КМОП. Теперь они применяются в основном в схемах усиления согласно их основному свойству. Некоторые их проблемы никуда не делись, и поэтому в твердотельных технологиях к ним выставляются особые требования, например определенное расстояние между элементами для лучшего теплоотвода, так как характеристики биполярных транзисторов сильно зависят от температуры. Это свойство, тем не менее, также нашло практическое приложение: появилась возможность создания термочувствительных и термонезависимых устройств в рамках полупроводниковой технологии.

Важность одинаковости параметров в таких устройствах привело к появлению определенных правил создания при их проектировании, так кроме схемотехнических методов, применяются также и топологические. Совмещение методик позволяет создавать приборы с претензионной точностью.

В настоящей работе на примере структуры биполярных транзисторов будут рассмотрены топологические особенности, используемые при проектировании современных интегральных микросхем для фотоприемников.

1. ОСНОВЫ ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

   1. Структура биполярных транзисторов

Биполярный транзистор (БПТ) – это структура, состоящая из трех полупроводниковых областей с чередующимися типами проводимости (n-p-n или p-n-p) с двумя pn-переходами, пригодный для усиления, генерации и переключения электрических сигналов. Основной принцип его действия состоит в управлении выходным сигналом с помощью входного тока. Перенос заряда осуществляется и электронами, и дырками, в отличии от полевых транзистором с носителями одной полярности, отсюда и происходит название – биполярный транзистор [1].

БПТ – трехэлектродная структура, состоящая из эмиттера, базы и коллектора. Обозначения транзисторов (а – n-p-n, б – p-n-p) и сечение структуры (в – n-p-n) приведены на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1 – Обозначения биполярных транзисторов в электрической схеме:

а – n-p-n транзистор, б – p-n-p транзистор; в – сечение n-p-n БПТ

Основная функция биполярного транзистора – это увеличение мощности входного электрического сигнала. Существует несколько режимов работы транзистора в зависимости от полярности напряжений, подаваемых на переходы:

• 
  Режим отсечки (оба перехода смещены в обратном направлении) – усиления не происходит, БПТ работает в режиме ключа;
  
• 
  Режим насыщения (оба перехода смещены в прямом направлении) – ток базы максимален, коллекторный ток максимален и постоянен, усиления не происходит;
  
• 
  Активный режим (на эмиттерном переходе – прямое напряжение, на коллекторном – обратное) – усиление выходного сигнала;
  
• 
  Барьерный режим (база соединена с коллектором) – транзистор работает как диод с последовательно включенным резистором.
  

2. Характеристики биполярных транзисторов

Основные характеристики БПТ:

• 
  Входная вольтамперная характеристика (ВАХ) – зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при постоянном значении напряжения коллектор-эмиттер: .
  
• 
  Выходная ВАХ – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при определенном токе через базу: .
  

Известно, что основное влияние на характеристики биполярных транзисторов оказывает температура, причем как окружающей среды, так и саморазогрев при протекании тока. Рост температуры будет приводить к увеличению токов утечки, изменению коэффициента усиления, а также увеличению шумов, вызванных тепловой генерацией носителей заряда [2].

Однако существуют устройства, использующие температурную зависимость биполярных транзисторов в практических приложениях. Таким, к примеру является стабильный источник опорного напряжения равного ширине запрещенной зоны используемого полупроводника, выполняемый по технологии КМОП. Принцип его действия основан на компенсации температурных коэффициентов напряжения (ТКН) биполярных транзисторов в диодном включении (ТКН отрицателен) и БПТ, включенных по определенной схеме с положительным ТКН [3].

При этом важно, что бы отдельные элементы имели как можно более одинаковые параметры или иначе, малые относительные погрешности: таким образом изменения температуры внешней среды и саморазогрев будут одинокого влиять на каждый отдельный транзистор, не нарушая характеристики системы в целом. Для уменьшения негативных эффектов используются не только схемотехнические, но также и топологические принципы, рассмотрение которых являются основной задачей настоящей работы.

3. Согласованные структуры

При измерении электрических параметров отдельных устройств в микросхеме можно обнаружить, что абсолютные значения сильно отличаются от номинальных. Это может происходить из-за отклонений параметров в процессе производства полупроводниковых компонентов.

При сравнении одинаковых устройств различие параметров будет зависеть от точности совпадения технологических операций: у чипов с разных кристаллов они будут отличаться сильнее (погрешность около 20%), чем у соседних чипов на подложке (погрешность 10%) – то есть относительная точность последних будет выше [4].

Поскольку результирующая погрешность устройства будет определяться суммарными погрешностями на каждом технологическом шаге, важно стараться их уменьшать еще на этапе проектирования. Относительная точность параметров может быть значительно улучшена за счет определенных композиций элементов, которые называются согласованными структурами (англ. Matching structure).

В настоящей работе на примере группы биполярных транзисторов будут рассмотрены общие концепции, применяемые для согласованных структур:

1. 
   Одинаковые размеры и форма элементов. Основная идея – это разделение элементов на базовые формы и их дальнейшее объединение. Таким образом краевые эффекты, если и не станут меньше, то хотя бы будут вносить одинаковые погрешности во все элементы, а следовательно, относительная точность повысится.
   
2. 
   Минимальное расстояние между элементами. Необходимо для уменьшения влияния градиентов параметров. Нужно помнить об ограничении минимального расстояния между используемыми элементами. Ещё лучшего эффекта можно достичь, использую структуру «Common centroid layout»: если нужно скомпоновать несколько различных по параметрам элементов, имеющих, однако, одинаковые геометрические размеры, можно их «перемешать», но симметрично и равномерно относительно центра. Для иллюстрации можно обратиться к рисунку 1.2.
   
3. 
   Использование «Dummy» (фиктивных) элементов. На любые структуры действуют краевые эффекты. Это связано с технологическими особенностями, например различная ширина диэлектрической изоляции между двумя соседними элементами и у крайнего. Решением в данном случае является использование фиктивного элемента, не участвующего в непосредственной работе устройства, но нейтрализующего негативные эффекты.
   
4. 
   Минимальные расстояния. Кроме того, что необходимо соблюдать расстояния прописанные в правилах проектирования, уменьшать влияние некоторых негативных эффектов, или полностью их исключать, можно с помощью дополнительного отдаления элементов от источника рассогласования.
   
5. 
   Одинаковое направление токов. Применяется для устранения эффектов анизотропии, например носители заряда буду иметь одинаковую подвижность при одной и той же ориентации элементов.
   
6. 
   Симметричность разводки и металлизации. Кроме влияния внешних технологических факторов на элементы и их взаимодействия друг с другом, внешнее окружение так же оказывает воздействия на результирующие параметры. Из этих соображений для каждой конкретной согласованной структуры необходимо привносить одинаковое влияние токопроводящими шинами: это условие проиллюстрировано на рисунке 1.2 [4].
   

Для максимального эффекта стараются применять как можно больше описанных выше концепций для каждой структуры. В схемах, содержащих несколько групп согласованных элементов, разводку, как правило, начинаю с наибольших по площади групп.

Из-за особенностей биполярных транзисторов, они требуют больших расстояний между элементами, и чаще все составляют наибольшую по размеру согласованную структуру.



Рисунок 1.2 – Топологическая структура типа «Common centroid layout» [4]

4. Охранные кольца

Как уже было отмечено выше, биполярным транзисторам свойственно наличие токов утечки и шумов. Для предотвращения данных негативных эффектов целесообразно использование кольцевых структур, называемых охранными кольцами.

Действие охранных колец направлено на минимизацию связей между различными элементами схемы: на эффективном расстоянии от защитного кольца происходит нейтрализация блуждающих носителей заряда и упреждение возможности их распространения по подложке.

Оптимальная ширина и эффективное расстояние работы защитных колец определяется технологически [5].

5. Выводы по разделу 1

Биполярные транзисторы являются базовыми элементами в современных интегральных микросхемах, и могут быть выполнены в рамках технологии КМОП. Они могут использоваться в различных режимах работы, в зависимости от необходимых свойств схемы. Однако их характеристики сильно зависят от условий окружающей среды, в первую очередь от температуры.

Для претензионной работы устройства, в том числе фотоприемника, необходима минимальная относительная погрешность, что обеспечивается, среди прочих, с помощью определенных топологических решений.

Таким образом целью данной работы является создание топологической схемы с согласованной структурой биполярных транзисторов, для использования в датчике видимого и ИК излучения, на основе принципов, описанных в данном разделе.

2. РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ СОГЛАСОВАННОЙ СТРУКТУРЫ С БИПОЛЯРНЫМИ ТРАНЗИСТОРАМИ

В данном разделе будет описана последовательность действий при создании согласованной структуры в соответствии с правилами, описанными в разделе 1.

Стандартная топология биполярного транзистора со структурой, показанной в упрощенном варианте на рисунке 1.1 в, представлена на рисунке 2.1. Выводы БПТ указаны как: /E/ - эмиттер (во втором металле), /B/ - база и /C/ - коллектор (в первом металле).



Рисунок 2.1 – Топология биполярного транзистора

Часть электрической схемы, содержащей биполярные транзисторы представлена на рисунке 2.2. Общее число действующих транзисторов 12 (Q₃ включает в себя 8 транзисторов), в зависимости от их расстановки потребуются еще несколько фиктивных элементов. Число шин соответствует 10, каждая имеет название.

На первом этапе необходимо спроектировать иерархию будущей структуры, то есть определить первичное расположение элементов и коммутационных шин. Минимальное расстояние между отдельными БПТ фиксировано правилами проектирования, охранные кольца будут окружать каждый отдельный элемент, создавая своеобразную сетку. В структуре транзисторов уже задействован первый слой металлизации, поэтому для разводки будут использоваться второй и третий металлы.



Рисунок 2.2 – Искомая электрическая схема

Исходя из имеющихся элементов, а также расположения внешних коммутирующих шин, было принято решение выстроить композицию следующим образом: прямоугольник четыре на три действующих элементов (Q) и по три фиктивных транзистора (Ф) с каждой из сторон (см. таблица 2.1). Все элементы равноудалены друг от друга. Нумерация сохранена согласно рисунку 2.2. Все выводы фиктивных элементов будут подключены к потенциалу охранных колец.

Транзисторы Q₃ и Q₂ будут образовывать структуру типа «Common centroid layout».

Таблица 2.1 – Название таблицы 2.1

Ф	Q 3-1	Q 3-2	Q 3-3	Q 5	Ф
Ф	Q 3-8	Q 2	Q 3-4	Q 1	Ф
Ф	Q 3-7	Q 3-6	Q 3-5	Q 4	Ф

Поскольку разводка должна быть симметрична и одинакова для всех действующих элементов, возможно несколько вариантов расположения коммутирующих шин относительно отдельного элемента. Поскольку БПТ имеет три вывода, то на каждый транзистор должно приходиться не менее трех токопроводящих шин. Самый простой вариант представлен на рисунке 2.3 а. Он подходит для разводки структур, содержащих максимальное число одинаковых элементов.


в

б

а


Рисунок 2.3 – Варианты расположения токоведущих шин относительно элемента согласованной структуры биполярных транзисторов

На рисунке 2.3, б представлена усложненная конфигурация коммутирующих шин: добавление дополнительной горизонтальной (или аналогично вертикальной) дает возможность разводить более неоднородные по составу элементов структуры.

Если есть необходимость в еще большем количестве токопроводящих шин, то можно реализовать схему, представленную на рисунке 2.3, в. Стоит отметить, что при данной топологии биполярного транзистора одна из вертикальных шин будет автоматически занята выводами эмиттеров.

Дальнейшее усложнение ведет к увеличению количества горизонтальных и вертикальных шин, с соблюдением симметрии, также можно применять большее количество слоев металлизации.

Поскольку в данной работе используются неодинаковые по подключению биполярные транзисторы, но их количество не велико, целесообразно использовать для разводки схему, представленную на рисунке 2.3, б.

Следующим этапом создаются охранные кольца. Так как отдельные биполярные транзисторы значительно удалены друг от друга рационально расположить кольца посередине, между соседними элементами. Для граничных элементов соблюдается правила согласования, про которым кольца должны быть равноудалены от каждой стороны БПТ.

В результате имеем структуры представленную на рисунке 2.4: биполярные транзисторы с охранными кольцами и фиктивными элементами, уже подключенными к потенциалу колец по первому металлу.

Рисунок 2.4 – Согласованная группа биполярных транзисторов с охранными кольцами

Следующим шагом является непосредственно разводка коммутационных шин. Сначала создается выбранная конфигурация шин, после чего следует их подключение. В искомой электрической схеме 10 различных шин. На рисунках 2.5–2.14 показаны каждая из этих шин с подключением к соответствующему выводу БПТ.

Для создания шин, соответствующих электрической схеме, в топологии может потребоваться нескольких токоведущих дорожек. Например, для вывода эмиттеров транзисторов, которые находятся в различных рядах и столбцах согласованной структуры как на рисунке 2.7.

В некоторых случаях необходимо выводить какие-либо дополнительные выходы, не нарушая общую симметрию разводки. Это можно реализовать, разделяя шины на несколько частей, при этом разрезы должны располагаться между элементами, минимально воздействуя на каждый из них. Примеры таких ситуаций приведены на рисунках 2.6 и 2.7: центральная горизонтальная шина в среднем ряду разделена между транзисторами Q_3-4 и Q₁.

Избыточные токоведущие дорожки, главная задача которых обеспечение одинаковости разводки, должны быть подключены к какому-либо потенциалу и могу быть использованы, например для соединения параллельных шин.



Рисунок 2.5 – Топология согласованной структуры с выделенной шиной C_L



Рисунок 2.6 – Топология согласованной структуры с выделенной шиной 2VBE



Рисунок 2.7 – Топология согласованной структуры с выделенной шиной EM_H



Рисунок 2.8 – Топология согласованной структуры с выделенной шиной VDDA



Рисунок 2.9 – Топология согласованной структуры с выделенной шиной C_H



Рисунок 2.10 – Топология согласованной структуры с выделенной шиной GNDA



Рисунок 2.11 – Топология согласованной структуры с выделенной шиной net6



Рисунок 2.12 – Топология согласованной структуры с выделенной шиной net038



Рисунок 2.13 – Топология согласованной структуры с выделенной шиной PTAT



Рисунок 2.14 – Топология согласованной структуры с выделенной шиной VBG_INT

На рисунке 2.15 представлены шины и фиктивные элементы, подключенные к потенциалу охранных колец.



Рисунок 2.15 – Топология согласованной структуры с выделенным подключением охранных колец

После того, как топология готова, ее необходимо проверить на соответствие правилам проектирования. Для этого используется среда Assura, а именно DRC (design rule check). В отчете указываются все несоответствия правилам, загружаемым в программу, а также их местоположение на схеме для упрощения исправления. Целесообразно проводить данную проверку для отдельных участков общей схемы, причем на каждом шаге проектирования, так как исправление ошибок на последующих этапах это будет значительно сложнее.

Следующая проверка направлена обнаружение несоответствий между электрической и топологической схемами — LVS (layout versus schematic), и проводится уже для схемы целиком. Отчет указывает на наличие ошибок в соединениях коммутационных шин, коротких замыканий, несоответствий размеров элементов и некоторых других.

При наличии ошибок проводится коррекция топологической схемы, и повторные проверки. Когда результирующие параметры соответствуют исходным с заданной точностью, процесс создания топологии можно считать завершенным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основу современной твердотельной электроники составляют устройства, выполненные на транзисторах, в том числе биполярных. Этому способствует главное свойство последних – увеличение мощности входного электрического сигнала. Их характеристики сильно зависят от условий окружающей среды, что в основном является негативным фактом, однако существуют устройства, в основе которых лежат температурные зависимости напряжения на биполярных транзисторах.

Примером такого устройства является стабильный источник опорного напряжения равного ширине запрещенной зоны полупроводника. Он нашел свое применение в том числе и в системах обработки сигнала, используемых в приемниках видимого и ИК излучения, и может быть выполнен в рамках технологии КМОП.

Для таких устройств необходимо, чтобы параметры отдельных элементов в рамках одного функционально узла имели одинаковые параметры. В реальных структурах невозможно добиться абсолютной точности характеристик, однако можно обеспечить минимальную относительную погрешность.

Среди топологических принципов, обеспечивающих претензионную точность работы устройства, можно выделить использование согласованных структур и охранных колец. С учетом данных методов была разработана топологическая схема с биполярными транзисторами.

Полученная схема состоит из 12 действующих транзисторов и 6 фиктивных, сгруппированных в три строки по шесть столбцов и расположенных в сетке охранных колец на равном расстоянии друг от друга. Транзисторы размещены в соответствии с правилами для согласованных элементов, а также с учетом рационального положения относительно внешних структур, не затронутых в настоящей работе.

Коммутация осуществляется перпендикулярными токопроводящими шинами в двух металлах. Относительно каждого отдельного действующего элемента металлы расположены одинаково и симметрично.

Фиктивные элементы располагаются по бокам структуры и подключены к потенциалу охранных колец.

Данная структура является частью большой схемы, топология которой подробно рассматривается в выпускной квалификационной работе.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. 
   Спиридонов Н.С. Основы теории транзисторов. — К.: Техника, 1969. — 300 с.
   
2. 
   Лысенко А.П. Статический коэффициент передачи тока базы транзистора и его зависимость от режима и температуры. Учебное пособие – Московский государственный институт электроники и математики. М., 2005. – 29 с.
   
3. 
   Razavi B. Design of analog CMOS integrated circuit (Т. 1). Los Angeles: McGraw-Hill Education. – 2017.
   
4. 
   Lienig J. S. Fundamentals of layout design for electronic circuits. Switzerland: Springer. – 2020.
   
5. 
   Вонг Б.П., А. М. Нано-КМОП-схемы и проектирование на физическом уровне. Москва: Техносфера. – 2014.
   
6. 
   Жан М. Рабаи, А. Ч. Цифровые интегральные схемы. Методологии проектирования. Москва. – 2007.
   
7. 
   Тимощенкова С.П. Современные проблемы проектирования и технологии микроэлектронных систем: уч. пособие. Проектирование систем на печатных платах на САПР. Москва: МИЭТ. – 2008.