Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология приборостроения

Диссертационная работа:

Никитанов Сергей Валерьевич. Технология интегральных микросхем истокового повторителя для преобразователей информации : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.14 / Никитанов Сергей Валерьевич; [Место защиты: Пенз. гос. ун-т].- Саранск, 2008.- 145 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/1252

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 5

Глава 1. Исследование существующих ИМС истокового повторителя и
постановка задачи 11

  1. Особенности работы ИМС истокового повторителя с малогабаритными электретными микрофонами 11

  2. Сравнительный анализ существующих ИМС истокового повторителя 17

  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

  1. Выбор порогового напряжения полевого транзистора и площади диода смещения 49

  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

  1. Моделирование технологического маршрута изготовления ИМС истокового повторителя 68

  2. Исходные параметры диффузионных профилей легирования структуры полевого транзистора 73

  3. Геометрические размеры структуры полевого транзистора 75

  4. Учет физических эффектов, происходящих в канале полевого транзистора, и выбор модели для численного расчета 77

  5. Выбор глубины канала структуры полевого транзистора 81

  6. Физико-топологическое моделирование полевого транзистора в составе электрической принципиальной схемы ИМС 87

  1. Учет параметров диода смещения при моделировании принципиальной схемы ИМС 88

  2. Моделирование влияния геометрических размеров канала полевого транзистора на коэффициент передачи по напряжению и 91 ток потребления ИМС

  1. Определение минимального напряжения питания ИМС 98

  2. Моделирование входного импеданса и выходного сопротивления ИМС 99

  3. 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

  1. Измерения электрических параметров ИМС истокового повторителя ПО

  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

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.

Подобные работы
Овчинников Андрей Александрович
Исследование влияния конструкций и технологии изготовления на стойкость оптических кабелей для систем передачи информации к воздействию механических нагрузок
Агальцов Андрей Геннадиевич
Разработка и исследование лазерного преобразователя информации для системы непрерывного автоматического контроля точек росы
Сысойкина Мария Александровна
Моделирование и разработка средств и технологий представления информации в распределенных электронных библиотеках
Голицына Ольга Леонидовна
Моделирование и разработка средств и технологий поиска документальной информации
Калита Петр Яковлевич
Исследование и разработка автоматизированной технологии многоуровневого анализа информации и формирования решений в управлении производством и качеством продукции
Смирнов Сергей Николаевич
Разработка и исследование методов задания геометрических объектов и технологии передачи геометрической информации в информационных системах
Рабинович Борис Ильич
Информационная технология комплексной обработки информации в рамках логико-аналитической системы на основе расширенных семантических сетей
Коновалов Михаил Григорьевич
Модели и технологии адаптивной обработки информации для частично наблюдаемых систем
Мелкова Светлана Васильевна
Разработка технологии получения фотограмметрической информации по экранному изображению человека в одежде
Скребкова Юлия Викторовна
Повышение эффективности передачи информации в цифровых системах технологии CDMA

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net