О. Дворников, В. Чеховский

    Для проектирования многоканальных ИС ядерной электроники по биполярно-полевой технологии разработан специализированный БМК. Оригинальная топология макрофрагмента, универсальные конструкции активных элементов и контактных площадок, хорошие частотные и шумовые характеристики n-p-n (Ft > 3 ГГц, Rbb < 35 Ом,) и p-JFET транзисторов (Up = 23 В, Ft > 120 MГц) позволяют реализовать на БМК широкий спектр аналоговых ИС: импульсные усилители с RC-CR фильтрами, каскодные усилители, операционные усилители с входными каскадами 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 контактных площадок ИС, либо используются как схемные элементы. Всего сложно-функциональных контактных площадок 54, они могут быть следующих типов:

• PAD2Q два многоэмиттерных малошумящих n-p-n транзистора (обозн. цифрой 2 на рис. 2). Малошумящий n-p-n транзистор, входящий в элемент PAD2Q, представляет собой 9-ти эмиттерный транзистор с сопротивлением базовой области менее 35 Ом. Возможно частичное масштабирование параметров транзистора, направленное на уменьшение емкости эмиттерного перехода и сдвига максимума зависимости коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером b 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 стока 1014 мА при напряжении отсечки 2,12,7 В и граничную частоту усиления более 120 МГц. Возможно частичное масштабирование параметров 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) имеют одинаковую конструкцию, которая позволяет использовать в схеме барьерную емкость полупроводниковой обкладки, и отличаются только величиной. На рис. 3 вывод С1 принадлежит металлической, а вывод С2 полупроводниковой обкладке конденсатора, вывод С3 контакт к изолирующему n-карману, который можно использовать для подключения к схеме барьерной емкости Dp+n или необходимо соединить с самым высоким потенциалом схемы. Вывод Sub это контакт к подложке 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 не описываются 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) для конденсатора C0_9P зависит от его удаления от контакта к подложке, поэтому в таблице указан наихудший случай для самого отдаленного конденсатора при одном контакте к подложке. В реальной схеме эта величина в среднем составит 200300 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 можно использовать 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 их применение 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 генераторов стабильного тока (элемент NPNC обозн. цифрой 10 на рис. 2), МОП конденсаторы емкостью 0,9 пФ (элемент C0_9P обозн. 7 на рис. 2) и полупроводниковые структуры следующих типов:
  

• PNPJF функционально-интегрированный элемент (ФИЭ), представляющий собой каскодное включение p-n-p транзистора и p-JFET (обозн. 8 на рис. 2), который можно использовать как p-n-p транзистор, p-JFET транзистор или 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 счет различного выполнения межсоединений областей получить двухэмиттерный n-p-n или p-n-p транзистор. Элемент TW расположен 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 взаимодействие через 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 находится около 650 кристаллов.

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

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

  
  

  Рис. 4

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

  
  

  Рис. 5

• Измеренные значения статического (bdc) и дифференциального (bac) коэффициентов передачи тока в схеме с общим эмиттером 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. 48, показывают достаточную точность 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 с использованием ранее сформированной активной структуры.
• Заказчик изучает библиотеку базовых схемотехнических решений, выбирает блоки и узлы с требуемыми параметрами и предоставляет схему электрическую функциональную на основе базовых решений. Исполнитель моделирует работу изделия в целом, разрабатывает топологию межсоединений, изготавливает комплект фотошаблонов металлизации и пластины.
• Заказчик предоставляет схему электрическую функциональную на основе любых блоков, в том числе отсутствующих в библиотеке. Всю остальную работу моделирование, согласование с Заказчиком результатов моделирования, разработку топологии 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: tchek@hep.by, dvr@basnet.minsk.by
http://goliath.hep.by/~tchek