2018-01-08
1130
В этом методе используется процесс диффузии одного вещества в другое через границу их соприкосновения. При нагреве полупроводника p- типа через одну из его поверхностей происходит диффузия примеси (можно взять кристалл с n- типом проводимости и диффундировать в него акцепторную примесь). В зависимости от температуры процесса и его длительности, на определенной глубине кристалла возникает p-n- переход.
Способ диффузии в открытой трубе заключается в следующем. Пластины полупроводникового материала помещают в высокотемпературную зону диффузионной трубы, диффузант к пластинам переносится потоком газа-носителя. При этом источник примеси может быть твердым, жидким или газообразным. Если источник примеси твердый, то используют двухзонную печь, представляющую собой две термические камеры с независимым нагревом, через которые проходит рабочая кварцевая труба. Источник примеси, например пятиокись фосфора (Р2О6) или окись бора (В203), помещенный в низкотемпературную зону, испаряясь, захватывается газом-носителем, и пары примеси переносятся в высокотемпературную зону диффузии, где находятся пластины полупроводника. Если источник примеси жидкий или газообразный, то применяют одно-зонные диффузионные печи, что обеспечивает лучшую воспроизводимость параметров диффузии. В качестве жидких источников применяют хлороокись фосфора (РОС13), трехбромистый бор (ВВг3), а в качестве газообразных - диборан (В2Нв), треххлори-стый бор (ВС13), фосфин (РН3), арсин (AsH3) и др. По бокс-методу диффузии пластины и источник примеси помещают в бокс, представляющий собой квазигерметичную кварцевую ампулу. Герметизацию ампулы производят с помощью платиновой прокладки и кварцевой крышки. Нагрев бокса осуществляют в однозонной печи в потоке инертного газа
Способом диффузии изготовляются так называемые дрейфовые транзисторы, в базе которых примеси распределены неравномерно. При этом в базе создается электрическое поле - носители заряда перемещаются не только за счет диффузии, но также за счет дрейфа - перемещения в этом поле, и скорость пролета базы зарядами возрастает. В поверхностно-барьерных транзисторах электронно-дырочные переходы (потенциальные барьеры) создаются вблизи поверхности, в лунках, вытравленных по обе стороны тонкой пластинки германия. При этом толщина базы получается порядка 2 5 - 5 мк, а граничная частота /, составляет 70 - 100 Мгц.
Кшрой затемспособом диффузии получают эмиттерную область.
Эпитаксиальная технология позволяет расширить рабочий диапазон транзисторов, особенно ключевых, за счет уменьшения последовательного сопротивления коллектора. Она основана на выращивании очень тонкого слоя полупроводника (достаточного для формирования активных элементов) поверх исходного слоя того же самого материала (рис. 6). Этот эпитаксиальный слой представляет собой продолжение исходной кристаллической структуры, но с уровнем легирования, необходимым для работы транзистора. Подложку сильно легируют (до содержания легирующей примеси порядка 0,1%), тщательно полируют и затем промывают, поскольку дефекты на поверхности подложки сказываются на совершенстве структуры эпитаксиального слоя.
Выращивание совершенного эпитаксиального слоя – очень сложный процесс, требующий тщательного выбора материалов и поддержания исключительной общей чистоты в системе. Слой выращивается методом химического осаждения из паровой фазы, обычно из паров тетрахлорида кремния SiCl4. При этом используется водород, который восстанавливает SiCl4 до чистого кремния, осаждающегося затем на подложке при температуре ок. 1200° С. Скорость роста эпитаксиального слоя – порядка 1 мкм/мин, но ее можно регулировать. Для легирования слоя в рабочую камеру вводят мышьяк (примесь n -типа), фосфор (n -тип) или бор (p -тип). Обычно выращивают только один слой, но в некоторых случаях, например при изготовлении многослойных тиристоров, получают два слоя – один n -, а другой p -типа. Толщина эпитаксиального слоя составляет от нескольких микрометров для сверхвысокочастотных транзисторов до ~100 мкм для высоковольтных тиристоров. Эпитаксиальный материал дает возможность изготавливать транзисторы для усилителей и электронных ключей.
В противоположность технологии мезаструктур, при которой диффузия происходит равномерно по всей поверхности полупроводника, планарная технология требует, чтобы диффузия была локализована. Для остальной части поверхности необходима маска. Идеальным материалом для маски является диоксид кремния, который можно наращивать поверх кремния. Так, сначала в атмосфере влажного кислорода при 1100° С выращивают слой диоксида толщиной ок. 1000 нм (это занимает примерно час с четвертью). На выращенный слой наносят фоторезист, который может быть сенситизирован для проявления ультрафиолетовым светом. На фоторезист накладывают маску с контурами базовых областей, в которых должна проводиться диффузия (их тысячи на одной подложке), и экспонируют фоторезист под освещением. На участках, не закрытых непрозрачной маской, фоторезист затвердевает под действием света. Теперь, когда фоторезист проявлен, его легко удалить растворителем с тех мест, где он не затвердел, и на этих местах откроется незащищенный диоксид кремния. Для подготовки подложки к диффузии незащищенный диоксид вытравливают и пластинку промывают. (Здесь речь идет об «отрицательном» фоторезисте. Существует также «положительный» фоторезист, который, наоборот, после освещения легко растворяется.) Диффузию проводят как двухстадийный процесс: сначала некоторое количество легирующей примеси (бора в случае npn -транзисторов) вводят в базовый поверхностный слой, а затем – на нужную глубину. Первую стадию можно осуществлять разными способами. В наиболее распространенном варианте пропускают кислород через жидкий трихлорид бора; диффузант переносится газом к поверхности и осаждается под тонким слоем борсодержащего стекла и в самом этом слое. После такой начальной диффузии стекло удаляют и вводят бор на нужную глубину, в результате чего получается коллекторный p-n -переход в эпитаксиальном слое n -типа. Далее выполняют эмиттерную диффузию. Поверх базового слоя наращивают диоксид, и в нем прорезают окно, через которое за одну стадию диффузией вводят примесь (обычно фосфор), формируя тем самым эмиттер. Степень легирования эмиттера по крайней мере в 100 раз больше, чем степень легирования базы, что необходимо для обеспечения высокой эффективности эмиттера.
В обоих диффузионных процессах, упомянутых выше, переходы перемещаются как по вертикали, так и в боковом направлении под диоксидом кремния, так что они защищены от воздействия окружающей среды. Многие устройства герметизируют поверхностным слоем нитрида кремния толщиной ок. 200 нм. Нитрид кремния непроницаем для щелочных металлов, таких, как натрий и калий, которые способны проникать сквозь диоксид кремния и «отравлять» поверхности в переходах и поблизости от них. Далее с использованием методов фотолитографии на поверхность устройства напыляют металл контакта (алюминий или золото), отделенный от кремния другим металлом (например, вольфрамом, платиной или хромом), впекают его в области базового и эмиттерного контактов, а излишек удаляют. Затем полупроводниковую пластинку путем распиливания или разламывания после надрезания разделяют на отдельные микрокристаллы, которые прикрепляются к позолоченному кристаллодержателю или выводной рамке (чаще всего эвтектическим припоем кремний – золото). С выводами корпуса эмиттер и базу соединяют золотыми проволочками. Транзистор герметизируют в металлическом корпусе или путем заделки в пластик (последнее дешевле).
Первоначально контакты делали из алюминия, но оказалось, что алюминий образует с золотом хрупкое соединение, обладающее высоким сопротивлением. Поэтому проволочные контакты из алюминиевой или золотой проволочки стали отделять от кремния другим металлом – вольфрамом, платиной или хромом.
Граничная частота транзисторов общего назначения составляет несколько сот мегагерц – примерно столько же, сколько было у ранних высокочастотных германиевых транзисторов. В настоящее время для высокочастотных типов эта граница превышает 10 000 МГц. Мощные транзисторы могут работать при мощности 200 Вт и более (в зависимости от типа корпуса), и нередки коллекторные напряжения в несколько сот вольт. Используются кремниевые пластинки размером несколько сантиметров, причем на одной такой пластинке формируется не менее 500 тыс. транзисторов.
Транзисторные структуры могут быть разного вида. Транзисторы для низкочастотных схем с низким уровнем сигнала нередко имеют точечно-кольцевую конфигурацию (точка – эмиттер, кольцо – база), которая, однако, не нашла широкого применения в тех случаях, когда предъявляются требования высокой частоты и большой мощности. В таких случаях и в транзисторах многих низкочастотных типов чаще всего применяется встречно-гребенчатая структура. Это как бы два гребешка с широкими промежутками между зубцами, расположенные на поверхности так, что зубцы одного входят между зубцами другого. Один из них является эмиттером, а другой – базой. База всегда полностью охватывает эмиттер. Основная часть гребешка служит токовой шиной, равномерно распределяющей ток, так что все эмиттерные зубцы имеют одинаковое смещение и дают одинаковый ток. Это очень важно для сильноточных приборов, в которых локальная неоднородность смещения может вследствие местного нарастания тока привести к точечному перегреву. В нормальном рабочем режиме температура перехода в транзисторах должна быть ниже 125° С (при ~150° С параметры прибора начинают быстро изменяться, и работа схемы нарушается), а потому в мощных транзисторах необходимо добиваться равномерного распределения тока по всей их площади. Сильноточные устройства часто разделяют на секции (группы зубцов, или малых транзисторов), соединенные между собой токовыми шинами с малым сопротивлением.
В транзисторах для диапазона сверхвысоких частот – другие трудности. Их максимальная рабочая частота ограничивается временем задержки, которое требуется для зарядки эмиттерного и коллекторного переходов (поскольку заряд переходов зависит от напряжения, они ведут себя как конденсаторы). Это время можно свести к минимуму, уменьшив до предела площадь эмиттера. Поскольку эффективно действует лишь периферийная часть эмиттера, зубцы делают очень узкими; зато число их увеличивают так, чтобы получить нужный ток. Ширина зубца типичного высокочастотного эмиттера составляет 1–2 мкм, и таковы же промежутки между зубцами. База обычно имеет толщину 0,1–0,2 мкм. На частотах выше 2000 МГц время переноса заряда через базу уже не является определяющей характеристикой – существенно также время переноса через область коллектора; однако этот параметр можно уменьшить только путем уменьшения внешнего напряжения на коллекторе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в ходе проведения курсового исследования было установлено, что наиболее широко распространены следующие типы p-n-переходов: точечные, сплавные, диффузионные и эпитаксиальные, рассмотрены особенности технологических процессов изготовления этих переходов. Опираясь на исходные данные, была рассчитана контактная разница потенциалов, которая составила 0,113 (В). В третьей главе курсового проекта был рассмотрен эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме. Были приведены различные типы работы диода: доменный режим, режимы ОНОЗ. Приведены конструкции генераторов, а так же усилителя на диоде Ганна, приведены расчеты, описаны принципы работы.
Приложение.
Обозначения основных величин, принятые в работе.
Ec - энергия соответствующая дну запрещённой зоны
E F - фермиевская энергия
Ek - энергетическая ступень, образующаяся в p–n-переходе
Emax - максимальная напряжённость электрического поля
Ev - энергия соответствующая потолку валентной зоны
Fi - электрическая энергия
Fip (Fin) - электростатическая энергия в p (n)-области
j - плотность тока
jg0 - плотность тока термогенерации носителей заряда
jngp0 (jpgp0) - плотность дрейфового тока, текущего через p-n-переход из n-области (p-области) в p-область (n-область)
jngup0 (jpgup0) - плотность диффузионного тока, текущего через p-n-переход из n-области (p-области) в p-область (n-область)
jz0 - плотность тока рекомбинации носителей заряда
l0 - ширина р-n перехода.
ln0 (lp0) - ширина n (p) -области p-n-перехода
L s - дебаевская длина
N - результирующая концентрация примеси
n (p) - концентрация электронов (дырок) в полупроводнике
n0 (p0) - равновесная концентрация электронов (дырок) в полупроводнике
N a (N d) - концентрация акцепторной (донорной) примеси.
n i - собственная концентрация носителей заряда
n n (n p) - концентрация электронов в n (р) области
n no (n po) - равновесная концентрация электронов в n (р) области
NЭ (NБ) - абсолютная величина результирующей примеси в эмиттере (базе)
P(x) - распределение плотности объёмного заряда
p p (p n) - концентрация дырок в р (n) области
p po (p no) - равновесная концентрация дырок в р (n) области
pЭ (pБ) - плотность объёмного заряда
q, e - заряд электрона
T - температура окружающей среды
Vk - энергия контактного поля
Ε - напряженность электрического поля
ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника
ε0 - диэлектрическая постоянная воздуха
μ n (μ p) - подвижность электронов (дырок)
τε - время диэлектрической релаксации
φ - электрический потенциал
φ k - контактная разность потенциалов
φ T - температурный потенциал
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Анималу А. Квантовая теория кристаллических твердых тел. –М.: Мир, 1981;
2. Блейкмор Дж. Физика твердого тела. –М.: Мир, 1988;
3. Гранитов Г.И. Физика полупроводников и полупроводниковые приборы. –М.: Сов. радио, 1977;
4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное издание. –М.: Высшая школа, 1991;
5. Давыдов А.С. Квантовая механика. –М.: Физматгиз, 1963;
6. Савельев И.В. Курс общей физики. В 3 т. –М.: Наука, 1979. Т.3;
7. Фистуль В.И, Введение в физику полупроводников. –М.: Высшая школа, 1984;
8. Электроника. Энциклопедический словарь. –М.: Советская энциклопедия, 1991.
9. Березин и др. Электронные приборы СВЧ. –М. Высшая школа 1985.
[1] Антизапирающим называют приконтактный слой, обогащённый свободными носителями заряда.
[2] Отношение изменения концентрации носителей заряда к расстоянию на котором это изменение происходит называется градиентом концентрации: grad n = ∆n/∆x = dn/dx
[3] Диффузионным током называют ток, вызванный тепловым движением электронов.
[4] Ток, созданный зарядами, движущимися в полупроводнике из-за наличия электрического поля и градиента потенциала называется дрейфовым током.
[5] Отсутствие вырождения характеризует существенная концентрация носителей заряда собственной электропроводности.
