Физически основи на микроелектрониката. Физически основи на микроелектрониката, лекционни бележки Конструкции и параметри на генератори, базирани на диоди на Ган

Сарапулски политехнически институт (клон)

Държавно учебно заведение

висше професионално образование

"Ижевски държавен технически университет"

Департамент Кипър

Курсова работа

Дисциплина: Физически основи на микроелектрониката.

По темата: Луксации. Бургери вектор. Влияние на дислокацията върху свойствата

строителни материали.

Готово: Проверено:

студент гр. 471 учители

Волков А.В. Иванников В.П.

Сарапул, 2010 г

Въведение................................................. ....... 1

Видове дислокации..................................................... .......... ... ..2

Контур и вектор на Бургерс.....................................2-3

Движение на дислокация..................................................... ... ...3-4

Плътност на дислокация ................................................. ...4

Сила, действаща върху дислокация................................4-5

Енергия на дислокация ................................................. ... ..5

Възпроизвеждане и натрупване на дислокации................................5-6

Откровени дислокации и грешки при наслагване................6

Дислокации и физични свойства на кристалите.....7

Зависимост на якостта от наличието на дислокация...7-8

Растеж на кристали ................................................. ... ..........8

Дислокации и електропроводимост...................................8-9

Заключение..................................................... ...................10

Списък с литература ................................................. 11

Въведение

Дислокационната теория се появява през 50-те години. миналия век поради факта, че теоретичните изчисления на якостта на материалите се различават значително от практическите.

Теоретичната якост на срязване на кристал е изчислена за първи път от Frenkel, въз основа на прост модел на два реда атоми, изместени от напрежението на срязване. Междуравнинното разстояние (разстоянието между редовете) е равно на А , а разстоянието между атомите в посоката на плъзгане е равно на b . Под напрежение на срязване τ тези редове от атоми се изместват един спрямо друг, завършвайки в равновесни позиции в точки като А , IN И СЪС , д , където напрежението на срязване, необходимо за дадена конфигурация на срязване, е нула. В междинни позиции напрежението на срязване има крайни стойности, които периодично се променят в обема на решетката. Приемете напрежението на срязване τ ще бъде функция на отместването х с период b :

(1.1)

За малки компенсации:

(1.2)

Използвайки закона на Хук:

, (1.3)

където G е модулът на срязване и – деформация на срязване, намерете коефициента на пропорционалност Да се :

(1.4)

Замествайки тази стойност Да се в (1.1) получаваме:

(1.5)

Максимална стойност τ , съответстващо на напрежението, при което решетката преминава в нестабилно състояние:

Може да се приеме a ≈ b , тогава напрежението на срязване

Изчислените по този начин теоретични напрежения на срязване на различни материали се оказват значително по-високи от практическите стойности. Така че за медта

теоретична стойност

= 760 kgf/mm, а практическата стойност за реални кристали = 100 kgf/mm.

Поради силното разминаване между теоретичните и практическите резултати се допуска наличието на микроскопични линейни дефекти и дислокации в кристала.

Дислокациите са прекъсвания в изместването между две части на кристал, едната от които претърпява изместване, а другата не. По този начин деформацията се представя от последователното преминаване на дислокации по равнината на приплъзване, а не от едновременно срязване в целия кристал.

Видове дислокации.

Има два основни типа дислокации: ръбови и винтови.

1. Ръбови дислокации.

Моделът на ръбовата дислокация може да бъде представен чрез изрязване на празнина в парче от еластично твърдо тяло ABCD , завършваща по линията AB вътре в това парче (фиг. 1). Материалът от едната страна се измества, създавайки стъпка CDEF . Линия А б , съответстваща на края на празнината, е границата между деформирания и недеформирания материал, определя точките, в които линията на дислокация излиза от повърхността на тялото.

Фиг.1 Фиг.2

Фигура 2 показва визуален модел на ръбова дислокация в проста кубична решетка. Разместването на ръба се причинява от наличието на допълнителна полуравнина A, перпендикулярна на равнината на приплъзване B (фиг. 2).

Допълнителната полуравнина може да бъде над равнината на приплъзване (както на фиг. 2), тогава дислокацията се нарича положителна; ако полуравнината е отдолу, тя е отрицателна.

2. Винтови дислокации:

Моделът на винтовата дислокация е подобен на ръбовата дислокация, но посоката на винтовата дислокация е успоредна на линията AB, образува се стъпка ADEF (фиг. 3).

Фиг. 3 Модел на винтова дислокация.

Контур и вектор на бургери:

За описание на дислокациите в кристалите се въвежда концепцията за контур и вектор на Бюргерс. Контур, начертан в перфектна решетка, е затворен правоъгълник, в който последният от начертаните вектори стига до началната точка на фиг. 4. Контурът, обхващащ дислокацията, има прекъсване и векторът, който трябва да се начертае, за да се затвори контурът, се нарича вектор на Бюргерс, а начертаният контур се нарича контур на Бюргерс. Векторът на Бюргерс определя големината и посоките на разкъсването, обикновено е равен на едно междуатомно разстояние и е постоянен по цялата дължина на дислокацията, независимо дали се променя посоката или местоположението му. В перфектния кристал векторът на Бъргерс е нула. В кристал с ръбова дислокация, тя е успоредна на посоката на приплъзване и съответства на вектора на приплъзване на фиг. 5. В кристал с винтова дислокация тя е перпендикулярна на равнината на приплъзване Фиг. 6

Фиг.4 Фиг.5 Фиг.6

В кристала са възможни и дислокации, които лежат изцяло вътре в кристала, а не се простират до повърхността му, както при тези, обсъдени по-горе. Дислокациите в кристала могат да бъдат прекъснати при други дислокации, на границите на зърната и други интерфейси. Следователно вътре в кристала са възможни дислокационни вериги или взаимосвързани мрежи от дислокации. Такава дислокация може да бъде отделена от недеформираната област чрез линия на дислокация под формата на пръстен или примка; по-специално тя може да бъде получена чрез натискане на тяло в кристала. Фигура 7 показва образуването на призматична дислокация чрез вдлъбнатина върху площ ABCD.

В този случай се образуват ръбова и винтова дислокация, векторът на Бюргерс, който е векторната сума на компонентите на дислокацията: (1.6)

В точката, в която три дислокации се съединяват, техните вектори на Фиг. 7 на Бъргерс са свързани чрез връзката:

(1.7)

Движение на дислокация.

Важно свойство на дислокациите е способността им да се движат под въздействието на механично напрежение. Нека елементарен сегмент dl от смесена дислокация с вектор на Бюргерс b се движи в посока dz. Обемът, изграден върху тези три вектора:

dV = (dz × dl) b, (1.8)

е еквивалентен на обема на материала, който се движи в кристала, когато се движи дислокация. Ако V=0, движението на дислокацията не е придружено от масообмен или промяна в обема на кристала. Това е консервативно движение или плъзгане. За крайни и смесени дислокации, за които векторът на Бюргерс b не е успореден на линията на дислокация dl, възниква приплъзване в равнината, определена от векторите b и dl: изразът (1.8) е равен на нула, ако dz лежи в същата равнина като вектори b и dl. Очевидно равнината на приплъзване на ръбова или смесена дислокация е равнината, в която лежат дислокацията и нейният вектор на Бюргерс. Крайната дислокация е изключително подвижна в собствената си равнина на приплъзване. Движението на крайната дислокация може да бъде представено като последователно постепенно движение на атоми, съседни по цялата дължина на линията на дислокация, придружено от преразпределение на връзките между тези атоми. След всяко такова събитие дислокацията се премества с едно междуатомно разстояние. В този случай напрежението, причиняващо движението на дислокациите, е значително по-малко от напрежението на срязване на материала. В резултат на такова движение дислокацията може да достигне повърхността на кристала и да изчезне. По този начин областите на кристала, разделени от равнината на приплъзване, след освобождаването на дислокацията ще бъдат изместени с едно междуатомно разстояние (фиг. 8).

Министерство на образованието на Руската федерация

Орловски държавен технически университет

Катедра по физика

РЕЗЮМЕ

по темата: „Ефектът на Гън и неговото използване в диоди, работещи в генераторен режим.“

Дисциплина: “Физически основи на микроелектрониката”

Попълнено от ученик от група 3–4 Senators D.G.

Ръководител:

Орел. 2000 г

Ефектът на Гън и използването му в диоди, работещи в генераторен режим.

За усилване и генериране на микровълнови трептения може да се използва аномалната зависимост на скоростта на електроните от силата на електрическото поле в някои полупроводникови съединения, предимно в галиевия арсенид. В този случай основната роля играят процесите, протичащи в обема на полупроводника, а не в стр - н-преход. Генериране на микровълнови трептения в хомогенни GaAs проби н-тип при постоянна напрегнатост на електрическото поле над прагова стойност е наблюдаван за първи път от J. Gunn през 1963 г. (затова такива устройства се наричат диоди на Gunn). В руската литература те също се наричат устройства с обемна нестабилностили със междудолен пренос на електрони,тъй като активните свойства на диодите се определят от прехода на електрони от „централната“ енергийна долина към „страничната“, където се характеризират с голяма ефективна маса и ниска подвижност. В чуждестранната литература последното име съответства на термина TED ( Прехвърлено електронно устройство).

В слабо поле подвижността на електроните е висока и възлиза на 6000–8500 cm 2 /(Vs). Когато напрегнатостта на полето е по-висока от 3,5 kV/cm, поради прехода на някои електрони към „страничната” долина, средната скорост на дрейфа на електроните намалява с увеличаване на полето. Най-високата стойност на диференциалния модул на подвижност в падащия участък е приблизително три пъти по-ниска от мобилността в слаби полета. При напрегнатост на полето над 15–20 kV/cm, средната скорост на електроните е почти независима от полето и е около 10 7 cm/s, така че съотношението и характеристиката поле на скоростта може да бъде приблизително апроксимирана, както е показано на фиг. 1. Времето за установяване на отрицателна диференциална проводимост (NDC) е сумата от времето за нагряване на електронния газ в „централната“ долина (~10–12 s за GaAs), определено от времевата константа на релаксация на енергията и времето за преход между долините ( ~5–10–14 s).

Може да се очаква, че наличието на падащ участък на характеристиката в областта на NDC с равномерно разпределение на електрическото поле по протежение на равномерно легирана GaAs проба ще доведе до появата на падащ участък върху характеристиката ток-напрежение на диода, тъй като стойността на конвекционния ток през диода се определя като , където ; -площ на напречното сечение; – дължина на пробата между контактите. В този раздел диодът ще има отрицателна активна проводимост и може да се използва за генериране и усилване на трептения, подобни на тунелен диод. На практика обаче прилагането на такъв режим в проба от полупроводников материал с NDC е трудно поради нестабилността на полето и пространствения заряд. Както беше показано в § 8.1, флуктуацията на пространствения заряд в този случай води до увеличаване на пространствения заряд съгласно закона

където е диелектричната релаксационна константа; – концентрация на електрони в оригинала н-GaAs. В хомогенна проба, към която се прилага постоянно напрежение , локално увеличаване на концентрацията на електрони води до появата на отрицателно зареден слой (фиг. 2), движещ се по пробата от катода към анода.

Фиг. 1. Приблизителна зависимост на скоростта на дрейфа на електроните от напрегнатостта на електрическото поле за GaAs.

Фиг.2. Да се обясни процесът на образуване на натрупващ слой в равномерно легиран GaAs.

Под катод имаме предвид контакт с пробата, към който е приложен отрицателен потенциал. Вътрешните електрически полета, които възникват в този случай, се наслагват върху постоянно поле, увеличавайки силата на полето вдясно от слоя и намалявайки го вляво (фиг. 2, а). Скоростта на електроните отдясно на слоя намалява, а отляво се увеличава. Това води до по-нататъшен растеж на подвижния натрупващ слой и до съответно преразпределение на полето в пробата (фиг. 2, б). Обикновено слой пространствен заряд се заражда на катода, тъй като близо до омичния контакт на катода има област с повишена концентрация на електрони и ниска напрегнатост на електрическото поле. Флуктуациите, които възникват в близост до контакта на анода поради движението на електрони към анода, нямат време да се развият.

Но такова разпределение на електрическото поле е нестабилно и ако има нехомогенност в пробата под формата на скокове в концентрация, подвижност или температура, то може да се трансформира в т.нар. домейн със силно поле.Силата на електрическото поле е свързана с концентрацията на електрони чрез уравнението на Поасон, което за едномерния случай има формата

(1)

Увеличаването на електрическото поле в част от пробата ще бъде придружено от появата на границите на тази област на пространствен заряд, отрицателен от страната на катода и положителен от страната на анода (фиг. 3, а). В този случай скоростта на електроните вътре в областта намалява в съответствие с фиг. 1. Електроните от страната на катода ще настигнат електрони вътре в тази област, поради което отрицателният заряд се увеличава и се образува слой, богат на електрони. Електроните от страната на анода ще се движат напред, поради което положителният заряд се увеличава и се образува обеднен слой, в който. Това води до по-нататъшно увеличаване на полето в зоната на флуктуация, когато зарядът се движи към анода и до увеличаване на степента на диполната област на пространствения заряд. Ако напрежението, приложено към диода, се поддържа постоянно, тогава с нарастването на диполния домен полето извън него ще намалее (фиг. 3, b). Увеличаването на полето в домейна ще спре, когато неговата скорост стане равна на скоростта на електроните извън домейна. Очевидно е, че . Напрегнатостта на електрическото поле извън домейна (фиг. 3, c) ще бъде под праговата сила, което прави невъзможен междудолинния преход на електрони извън домейна и образуването на друг домейн до изчезването на този, образуван преди това при анод. След образуването на стабилен домейн с високо поле, токът през диода остава постоянен по време на движението му от катода към анода.

Фиг.3. Да се обясни процесът на образуване на диполна област.

След като домейнът изчезне на анода, силата на полето в пробата се увеличава и когато достигне стойността , започва образуването на нов домейн. В този случай токът достига максимална стойност, равна на (фиг. 4, c)

(2)

Този режим на работа на диод на Gunn се нарича режим "полет.В транзитен режим токът през диода се състои от импулси, следващи период . Диодът генерира микровълнови трептения с честота на полет , определени главно от дължината на пробата и слабо зависими от натоварването (именно тези колебания Гън наблюдава при изследване на проби от GaAs и InP).

Електронните процеси в диод на Gunn трябва да се разглеждат, като се вземат предвид уравненията на Поасон, непрекъснатостта и общата плътност на тока, които за едномерния случай имат следната форма:

; (3)

. (4)

Фиг.4. Еквивалентна схема на диоден генератор на Gunn (a) и времеви зависимости на напрежението (b) и тока през диода на Gunn в транзитен режим (c) и в режими със закъснение (d) и затихване на домейна (e).

Моментно напрежение на диода. Общият ток не зависи от координатата и е функция на времето. Коефициентът на дифузия често се счита за независим от електрическото поле.

В зависимост от параметрите на диода (степента и профила на легиране на материала, дължината и площта на напречното сечение на пробата и нейната температура), както и от свойствата на захранващото напрежение и товара, диодът на Gunn, като микровълнов генератор и усилвател, може да работи в различни режими: домейн, ограничаване на натрупването на пространствен заряд (ONZ, в чуждестранна литература LSA - Limited Space Charge Accumulation), хибриден, пътуващи вълни на пространствен заряд, отрицателна проводимост.

Режими на работа на домейна.

Домейн режимите на работа на диод на Gunn се характеризират с наличието на формиран диполен домен в пробата по време на значителна част от периода на трептене. Характеристиките на стационарен диполен домен са разгледани подробно в [?], където е показано, че от (1), (3) и (4) следва, че скоростта на домейна и максималната напрегнатост на полето в него са свързани правило за равна площ

. (5)

В съответствие с (5) областите, защриховани на фиг. 5, а и ограничени с линии, са еднакви. Както се вижда от фигурата, максималната напрегнатост на полето в домейна значително надвишава полето извън домейна и може да достигне десетки kV/cm.

Фиг.5. Да се определят параметрите на диполната област.

Фигура 5, b показва зависимостта на напрежението на домейна върху напрегнатостта на електрическото поле извън него, където е дължината на домейна (фиг. 3, c). Там е построена „инструментална линия“ от диод с дължина при дадено напрежение, като се вземе предвид фактът, че общото напрежение на диода е . Пресечна точка Аопределя напрежението на домейна и силата на полето извън него. Трябва да се има предвид, че домейнът възниква при постоянно напрежение , но може да съществува и когато по време на движението на домена към анода напрежението върху диода намалява до стойността (пунктирана линия на фиг. 5, b). Ако напрежението на диода се намали допълнително, така че да стане по-малко от напрежението на изчезване на домейна, полученият домейн ще се разреши. Напрежението на затихване съответства на момента, в който "правата линия на инструмента" докосне линията на фиг. 5, b.

По този начин напрежението на изчезване на домейн се оказва по-малко от праговото напрежение на образуване на домейн. Както може да се види от фиг. 5, поради рязката зависимост на излишното напрежение върху домейна от силата на полето извън домейна, полето извън домейна и скоростта на домейна се променят малко, когато напрежението на диода се промени. Излишното напрежение се абсорбира главно в домейна. Вече в скоростта на домейна е само малко по-различна от скоростта на насищане и може да се счита приблизително , и следователно честотата на полета, като характеристика на диод, обикновено се определя от израза:

(6)

Дължината на домейна зависи от концентрацията на донорния примес, както и от напрежението на диода и е 5–10 μm. Намаляването на концентрацията на примеси води до разширяване на домейна поради увеличаване на обеднения слой. Образуването на домейн става за крайно време и е свързано с установяването на отрицателна диференциална проводимост и увеличаване на пространствения заряд. Времевата константа за нарастване на пространствения заряд в режим на малко смущение е равна на диелектричната релаксационна константа и се определя от отрицателната диференциална подвижност и концентрацията на електрони. При максимална стойност, докато времето за установяване на ODP е по-малко. По този начин времето за образуване на домейна се определя до голяма степен от процеса на преразпределение на пространствения заряд. Зависи от първоначалната нехомогенност на полето, нивото на допинг и приложеното напрежение.

Фиг.6. Диод на Гън.

Приблизително се смята, че домейнът ще има време да се формира напълно в следното време:

където се изразява в . Има смисъл да се говори за режими на домейн само ако домейнът има време да се образува по време на полета на електрони в пробата. Следователно, условието за съществуването на диполна област е едно от двете .

Продуктът от концентрацията на електрони и дължината на пробата се нарича критичени обозначават . Тази стойност е границата между режимите на домейна на диода на Gunn и режимите със стабилно разпределение на електрическото поле в равномерно легирана проба. Когато не се формира домейн със силно поле, се извиква пробата стабилен.Възможни са различни режими на домейн. Критерият за типа е валиден, строго погледнато, само за структури, в които дължината на активния слой между катода и анода е много по-малка от напречните размери: (фиг. 6, а), което съответства на едномерна задача и е характерен за планарни и мезаструктури. Тънкослойните структури (фиг. 6, b) имат епитаксиален активен слой от GaAs 1 дължина може да бъде разположен между субстрат с висока устойчивост 3 и изолационен диелектричен филм 2 направени, например, от SiO 2. Омичните анодни и катодни контакти се произвеждат чрез фотолитографски методи. Напречният размер на диод може да бъде сравним с неговата дължина. В този случай пространствените заряди, образувани по време на образуването на домейна, създават вътрешни електрически полета, които имат не само надлъжен компонент, но и напречен компонент (фиг. 6, в). Това води до намаляване на полето в сравнение с едномерен проблем. Когато дебелината на активния филм е малка, когато , критерият за липса на нестабилност на домейна се заменя с условието . За такива структури, със стабилно разпределение на електрическото поле, то може да бъде по-голямо.

Времето за образуване на домейн не трябва да надвишава половин цикъл от микровълнови трептения. Следователно има второ условие за съществуването на подвижна област, от което, като вземем предвид (1), получаваме .

В зависимост от съотношението на времето на полет и периода на микровълновите трептения, както и от стойностите на постоянното напрежение и амплитудата на високочестотното напрежение, могат да се реализират следните режими на домейна: полет, режим със забавяне на домейна, режим с потискане (гасене) на домейна. Нека разгледаме процесите, протичащи в тези режими за случая на диод на Гън, работещ върху товар под формата на паралелна осцилираща верига с активно съпротивление на резонансната честота и диодът се захранва от генератор на напрежение с ниско вътрешно съпротивление (вижте Фиг. 4а). В този случай напрежението на диода се променя по синусоидален закон. Генерирането е възможно при.

При ниско съпротивление на натоварване, когато , къде – съпротивлението на диода на Гън при слаби полета, амплитудата на високочестотното напрежение е малка и моментното напрежение на диода надвишава праговата стойност (виж фиг. 4b, крива 1). Тук се осъществява разглежданият по-рано транзитен режим, когато след образуването на домейна токът през диода остава постоянен и равен (виж фиг. 9.39, c). Когато домейнът изчезне, токът се увеличава до . За GaAs. Честотата на трептенията в режим на полет е равна на . Тъй като съотношението е малко, ефективността Броят на диодните генератори на Gunn, работещи в транзитен режим, е малък и този режим обикновено няма практическо приложение.

Когато диодът работи във верига с високо съпротивление, когато , амплитудата на променливото напрежение може да бъде доста голяма, така че през част от периода моментното напрежение на диода става по-малко от прага (съответства на крива 2 на фиг. 4б). В този случай те говорят за режим със забавяне във формирането на домейн.Домейнът се формира, когато напрежението на диода надвиши прага, т.е. в даден момент (виж фиг. 4, d). След образуването на домейна диодният ток намалява до и остава такъв през времето на полета на домейна. Когато домейнът изчезне на анода в даден момент, напрежението на диода е по-малко от прага и диодът представлява активно съпротивление. Промяната в тока е пропорционална на напрежението на диода до момента, в който токът достигне максималната си стойност и напрежението на диода е равно на прага. Започва формирането на нов домейн и целият процес се повтаря. Продължителността на токовия импулс е равна на времето на забавяне на образуването на нов домейн. Времето за формиране на домейн се счита за малко в сравнение с и . Очевидно такъв режим е възможен, ако времето на полета е в границите и честотата на генерираните трептения е .

С още по-голяма амплитуда на високочестотното напрежение, съответстващо на кривата 3 на Фиг. 4b минималното напрежение на диода може да бъде по-малко от напрежението на гасене на диода. режим с потискане на домейна(виж фиг. 4, d). Домейнът се формира в даден момент и се разпада в момент, когато започне да се формира нов домейн, след като напрежението надвиши прагова стойност. Тъй като изчезването на домейн не е свързано с достигането му до анода, времето на полета на електрони между катода и анода в режим на охлаждане на домейна може да надвиши периода на трептене: . По този начин, в режим на затихване. Горната граница на генерираните честоти е ограничена от условието и може да бъде .

Електронна ефективност генератори, базирани на диоди на Gunn, работещи в режими на домейн, могат да бъдат определени чрез разширяване на текущата функция в серия на Фурие (виж Фиг. 4), за да се намери амплитудата на първия хармоник и компонента на постоянен ток. Стойност на ефективността зависи от отношенията , , , и при оптималната стойност не надвишава 6% за GaAs диоди в режим на забавяне на домейна. Електронна ефективност в режим на охлаждане на домейн е по-малко, отколкото в режим на забавяне на домейн.

Режим ONOZ.

Малко по-късно бяха предложени и внедрени режими на домейн за диоди на Gunn режим на ограничаване на натрупването на пространствен заряд.Съществува при постоянни напрежения на диода, няколко пъти по-високи от праговата стойност, и големи амплитуди на напрежението при честоти, няколко пъти по-високи от честотата на полета. За да се приложи режимът ONOS, са необходими диоди с много равномерен допинг профил. Равномерното разпределение на електрическото поле и концентрацията на електрони по дължината на пробата се осигурява поради високата скорост на промяна на напрежението в диода. Ако периодът от време, през който напрегнатостта на електрическото поле преминава през областта на NDC характеристиката, е много по-малък от времето за образуване на домейна, тогава няма забележимо преразпределение на полето и пространствения заряд по дължината на диода. Скоростта на електроните в целия образец „следва” изменението на електрическото поле, а токът през диода се определя от зависимостта на скоростта от полето (фиг. 7).

По този начин, в режим ONOS, отрицателната проводимост на диода се използва за преобразуване на енергията на източника на енергия в енергията на микровълновите трептения. В този режим, по време на част от периода на трептене, напрежението на диода остава по-ниско от прага и образецът е в състояние, характеризиращо се с положителна подвижност на електрони, т.е. пространствен заряд, който е успял да се образува през времето, когато електрическият полето в диода беше над прага, се разтваря.

Ще напишем приблизително условието за слабо увеличение на заряда с течение на времето във формуляра , Където ; е средната стойност на отрицателната диференциална подвижност на електрони в региона. Резорбцията на пространствения заряд във времето ще бъде ефективна, ако и къде ; и – времеконстанта на диелектрична релаксация и подвижност на електрони в слабо поле.

Броене , , ние имаме . Това неравенство определя диапазона от стойности, в рамките на които се прилага режимът ONZ.

Електронната ефективност на диоден генератор на Gunn в режим ONOS може да се изчисли от текущата форма (фиг. 7). При Максималната ефективност е 17%.

Фиг.7. Времева зависимост на тока на диода на Gunn в режим ONOS.

В режимите на домейн честотата на генерираните трептения е приблизително равна на честотата на полета. Следователно дължината на диодите на Gunn, работещи в режими на домейн, е свързана с работния честотен диапазон чрез израза

където се изразява в GHz, а – в микрони. В режим ONOS дължината на диода не зависи от работната честота и може да бъде многократно по-голяма от дължината на диодите, работещи на същите честоти в домейн режими. Това ви позволява значително да увеличите мощността на генераторите в режим ONO в сравнение с генераторите, работещи в режими на домейн.

Разглежданите процеси в диод на Гън в режими на домейн са по същество идеализирани, тъй като те се реализират при относително ниски честоти (1–3 GHz), където периодът на трептене е значително по-малък от времето за образуване на домейн, а дължината на диода е много по-голяма от дължината на домейна при конвенционални нива на допинг . Най-често диодите на Gunn с непрекъсната вълна се използват при по-високи честоти в така наречените хибридни режими. Хибридни режимиРаботата на диодите на Gunn е междинна между режимите ONOS и домейн. Характерно за хибридните режими е, че образуването на домейн отнема по-голямата част от периода на трептене. Непълно оформен домейн се разрешава, когато моментното напрежение на диода намалее до стойности под прага. Силата на електрическото поле извън областта на нарастващ пространствен заряд остава като цяло по-висока от прага. Процесите, протичащи в диода в хибриден режим, се анализират с помощта на компютър с помощта на уравнения (1), (3) и (4). Хибридните режими заемат широк диапазон от стойности и не са толкова чувствителни към параметрите на веригата, колкото режима ONOZ.

Режимът ONOS и хибридните режими на работа на диода на Gunn се класифицират като "твърди" режими на самовъзбуждане, които се характеризират със зависимостта на отрицателната електронна проводимост от амплитудата на високочестотното напрежение. Поставянето на генератора в хибриден режим (както и в режим ONOZ) е сложна задача и обикновено се извършва чрез последователно преминаване на диода от транзитен режим към хибриден режим.

Фиг.8. Електронна ефективност на диодни генератори GaAs Gunn за различни режими на работа:

1–със забавяне на образуването на домейн

2–с потискане на домейна

Фиг.9. Времева зависимост на напрежението (a) и тока (b) на диод на Gunn в режим на висока ефективност.

3-хибрид

Конструкции и параметри на генератори на базата на диоди на Ган.

Фигура 8 показва стойностите на максималната електронна ефективност. GaAs Gunn диод в различни режими на работа. Вижда се, че стойностите не надвишават 20%. Увеличете ефективността генератори, базирани на диоди на Gunn, е възможно чрез използването на по-сложни осцилационни системи, които позволяват да се осигурят времевите зависимости на тока и напрежението върху диода, показани на фиг. 9. Разширение на функции и в ред на Фурие при и дава електронни стойности на ефективност за GaAs Gunn диоди от 25%. Сравнително добро приближение до оптималната крива се получава чрез използване на втория хармоник на напрежението. Друг начин за повишаване на ефективността се състои от използване на материали с високо съотношение в диодите на Gunn. Така за индиевия фосфид достига 3,5, което увеличава теоретичната електронна ефективност на диодите до 40%.

Трябва да се има предвид, че електронната ефективност генератори, базирани на диоди на Gunn, намалява при високи честоти, когато периодът на трептене стане съизмерим с времето за установяване на NDC (това се проявява вече при честоти от ~30 GHz). Инерцията на процесите, които определят зависимостта на средната скорост на дрейфа на електроните от полето, води до намаляване на антифазния компонент на диодния ток. Ограничаващите честоти на диодите на Gunn, свързани с това явление, се оценяват на ~ 100 GHz за GaAs устройства и 150–300 GHz за InP устройства.

Изходната мощност на диодите на Gunn е ограничена от електрически и термични процеси. Влиянието на последното води до зависимостта на максималната мощност от честотата под формата , където константата се определя от допустимото прегряване на конструкцията, топлинните характеристики на материала и електронната ефективност. и капацитет на диода. Ограниченията на електрическия режим се дължат на факта, че при висока изходна мощност амплитудата на трептенията се оказва съизмерима с постоянното напрежение на диода: .

В режими на домейн следователно в съответствие с ние имаме:

където е еквивалентното съпротивление на натоварване, преизчислено към изводите на диода и равно на модула на активното отрицателно съпротивление на LPD.

Максималната напрегнатост на електрическото поле в областта значително надвишава средната стойност на полето в диода, като в същото време трябва да бъде по-малка от силата на пробив, при която настъпва лавинообразен разпад на материала (за GaAs ). Обикновено допустимата стойност на електрическото поле се счита за .

Както при LPD, при относително ниски честоти (в сантиметровия диапазон на дължината на вълната), максималната изходна мощност на диодите на Gunn се определя от топлинните ефекти. В милиметровия диапазон дебелината на активната област на диоди, работещи в режими на домейн, става малка и електрическите ограничения преобладават. В непрекъснат режим в диапазона от три сантиметра може да се получи мощност от 1–2 W от един диод с ефективност до 14%; при честоти 60–100 GHz – до 100 WW с ефективност няколко процента. Диодните генератори на Gunn се характеризират със значително по-ниска честота на шума от LPD генераторите.

Режимът ONOZ се характеризира с много по-равномерно разпределение на електрическото поле. В допълнение, дължината на диода, работещ в този режим, може да бъде значителна. Следователно амплитудата на микровълновото напрежение върху диода в режим ONOS може да бъде с 1–2 порядъка по-висока от напрежението в режимите на домейна. По този начин изходната мощност на диодите на Gunn в режим ONOS може да бъде увеличена с няколко порядъка в сравнение с режимите на домейн. За режима ONOZ термичните ограничения излизат на преден план. Диодите на Gunn в режим ONOS работят най-често в импулсен режим с висок работен цикъл и генерират мощност до няколко киловата в сантиметровия диапазон на дължината на вълната.

Честотата на генераторите, базирани на диоди на Gunn, се определя главно от резонансната честота на осцилаторната система, като се вземе предвид капацитивната проводимост на диода и може да се настройва в широк диапазон чрез механични и електрически методи.

Във вълноводен генератор(Фиг. 10, а) Диод на Gunn 1 монтиран между широките стени на правоъгълен вълновод в края на метален прът. Преднапрежението се подава през входа на индуктора 2 , който е направен под формата на секции от четвърт вълнови коаксиални линии и служи за предотвратяване на проникването на микровълнови трептения във веригата на източника на захранване. Резонаторът с нисък Q се формира от диодните монтиращи елементи във вълновода. Честотата на генератора се настройва с помощта на варакторен диод 3 , разположен на разстояние от половин дължина на вълната и монтиран във вълновода подобно на диод на Гън. Често диодите са включени във вълновод с намалена височина, който е свързан към изходен вълновод със стандартна секция чрез четвърт вълнов трансформатор.

Фиг. 10. Проектиране на генератори на базата на диоди на Gunn:

а-вълновод; b-микролента; c–с настройка на честотата чрез YIG сфера

В микролентов дизайн(Фиг. 10, б) диод 1 свързан между основата и лентовия проводник. За стабилизиране на честотата се използва висококачествен диелектричен резонатор 4 под формата на диск, направен от диелектрик с ниски загуби и висока стойност (например бариев титанат), разположен близо до MPL лентов проводник с ширина . Кондензатор 5 служи за разделяне на силовите вериги и микровълновия път. Захранващото напрежение се подава през веригата на индуктора 2 , състоящ се от два четвъртвълнови сегмента на MPL с различни вълнови импеданси, а линията с ниско съпротивление е отворена. Използването на диелектрични резонатори с положителен температурен коефициент на честота прави възможно създаването на осцилатори с малки честотни измествания при промяна на температурата (~40 kHz/°C).

Генератори с регулируема честотавърху диодите на Gunn могат да бъдат конструирани с помощта на монокристали от итриев железен гранат (фиг. 10, c). Честотата на генератора в този случай се променя поради настройката на резонансната честота на висококачествен резонатор, който има формата на YIG сфера с малък диаметър, когато се променя магнитното поле. Максимална настройка се постига в диоди без опаковка, които имат минимални реактивни параметри. Високочестотната диодна верига се състои от къс завой, обхващащ YIG сферата 6 . Връзката на диодната верига с веригата на натоварване се осъществява благодарение на взаимната индуктивност, осигурена от YIG сферата и ортогонално разположените съединителни завои. Диапазонът на електрическа настройка на такива генератори, широко използвани в автоматичните измервателни устройства, достига октава с изходна мощност от 10–20 mW.

Фиг. 11. Обобщена еквивалентна схема на диод на Ган.

Усилватели на базата на диоди на Gunn.

Развитието на усилватели, базирани на диоди на Gunn, представлява голям интерес, особено за милиметровия диапазон на дължина на вълната, където използването на микровълнови транзистори е ограничено. Важна задача при създаването на усилватели, базирани на диоди на Gunn, е да се осигури стабилност на тяхната работа (стабилизация на диода) и най-вече да се потиснат трептенията от домейн тип малък сигнал. Това може да се постигне чрез ограничаване на параметъра на диода, натоварване на диода с външна верига, избор на профил на допиране на диод, намаляване на напречното сечение или прилагане на диелектричен филм върху пробата. Като усилватели се използват както планарни, така и мезаструктурни диоди, които имат отрицателна проводимост при напрежения над прага в широк честотен диапазон близо до честотата на полета и се използват като регенеративни отразяващи усилватели с циркулатор на входа, както и по-сложни филмови структури които използват феномена на вълновия растеж на пространствения заряд в материал с NDP, често наричан тънкослойни усилватели на бягаща вълна(UBV).

В субкритично легирани диоди при образуването на работещ домейн е невъзможно дори при напрежения, надвишаващи прага. Както показват изчисленията, субкритичните диоди се характеризират с отрицателно еквивалентно съпротивление при честоти, близки до честотата на полета, при напрежения, надвишаващи прага. Те могат да се използват в отразяващи усилватели. Въпреки това, поради ниския си динамичен обхват и усилване, те са с ограничена употреба.

Стабилна отрицателна проводимост в широк честотен диапазон, достигаща 40%, се реализира в диоди с при къса дължина на диода (~8–15 µm) и напрежения . При по-ниски напрежения се наблюдава генериране, разрушаването на което с увеличаване на напрежението може да се обясни с намаляване на NDC на материала с повишаване на температурата на устройството.

Равномерно разпределение на електрическото поле по дължината на диода и стабилно усилване в широка честотна лента може да се получи поради неравномерно допиране на пробата (фиг. 12, а). Ако близо до катода има тесен леко легиран слой с дължина около 1 μm, той ограничава инжектирането на електрони от катода и води до рязко увеличаване на електрическото поле. Увеличаването на концентрацията на примеси по дължината на пробата към анода в диапазона от до позволява да се постигне равномерност на електрическото поле. Процесите в диоди с този профил обикновено се изчисляват на компютър.

Фиг. 12. Допинг профил (a) и разпределение на полето (b) в диод на Gunn с катодна област с високо съпротивление.

Разгледаните типове усилватели се характеризират с широк динамичен диапазон, ефективност от 2–3% и стойност на шума от ~10 dB в сантиметровия диапазон на дължината на вълната.

В ход е разработването на тънкослойни усилватели на бягаща вълна (фиг. 13), които осигуряват еднопосочно усилване в широка честотна лента и не изискват използването на разделителни циркулатори. Усилвателят е епитаксиален GaAs слой 2 дебели (2–15 µm), отглеждани върху субстрат с високо съпротивление 1 . Омичните катодни и анодни контакти са разположени на разстояние един от друг и осигуряват дрейф на електрони по филма, когато към тях се прилага постоянно напрежение. Два контакта 3 под формата на бариера на Шотки с ширина 1–5 μm, те се използват за въвеждане и извеждане на микровълнов сигнал от устройството. Входният сигнал, подаден между катода и първия контакт на Шотки, възбужда вълна от пространствен заряд в електронния поток, който променя амплитудата си, докато се движи към анода с фазова скорост.

Фиг. 13. Диаграма на GaAs тънкослоен усилвател на бягаща вълна с надлъжен дрейф

За да работи усилвателят, е необходимо да се осигури равномерност на филма и равномерност на електрическото поле по дължината на устройството. Преднапрежението BW се намира в GaAs NDC областта, т.е . В този случай вълната на пространствения заряд нараства, докато се движи по филма. Стабилно, равномерно разпределение на електрическото поле се постига в UWV чрез използване на филми с малка дебелина и покритие на GaAs филма с диелектрик с голяма стойност.

Приложение на основните уравнения за движение на електрони за едномерен случай (1), (3), (4) и режим на малък сигнал, когато постоянните компоненти на конвекционния ток, напрегнатостта на електрическото поле и плътността на заряда са много по-големи от амплитудата на променливите компоненти (), води до дисперсионното уравнение за постоянното разпространение, което има решение под формата на две вълни.

Една от тях е директна вълна, разпространяваща се по филма от катода към анода с фазова скорост и има амплитуда, която варира според закона:

където е времето на движение на електрони от входа на устройството. Когато работите в региона на ODP, директната вълна също се увеличава. Втората вълна е обратна, разпространява се от анода към катода и затихва по амплитуда като . Коефициентът на дифузия за GaAs е , следователно обратната вълна бързо затихва. От (9) усилването на устройството е (dB)

(10)

Оценка от (10) при И дава усилване от порядъка на 0,3–3 dB/µm. Трябва да се има предвид, че изразът (10) е по същество качествен. Директното му използване за изчисляване на нарастващи вълни на пространствен заряд може да доведе до грешки поради силното влияние на граничните условия за малка дебелина на филма, тъй като проблемът трябва да се разглежда като двуизмерен. Електронната дифузия също трябва да се вземе предвид, ограничавайки честотния диапазон, в който е възможно усилване. Изчисленията потвърждават възможността за получаване на печалба от ~0,5–1 dB/μm в UWV при честоти от 10 GHz или повече. Такива устройства могат да се използват и като контролирани фазови превключватели и микровълнови линии за забавяне.

[L]. Березин и др. Микровълнови електронни устройства. – М. Висше училище 1985г.

Министерство на образованието на Руската федерация

Орловски държавен технически университет

Катедра по физика РЕЗЮМЕ

по темата: „Ефектът на Гън и неговото използване в диоди, работещи в генераторен режим.“

Дисциплина: “Физически основи на микроелектрониката”

Попълва се от ученик от групи 3–4
Сенаторов Д.Г.

Ръководител:

Орел. 2000 г

Ефектът на Гън и използването му в диоди, работещи в генераторен режим.

За усилване и генериране на микровълнови трептения може да се използва аномалната зависимост на скоростта на електроните от силата на електрическото поле в някои полупроводникови съединения, предимно в галиевия арсенид. В този случай основната роля играят процесите, протичащи в обема на полупроводника, а не в p-n прехода. Генерирането на микровълнови трептения в хомогенни образци GaAs от n-тип при постоянна напрегнатост на електрическото поле над прагова стойност е наблюдавано за първи път от J. Gunn през 1963 г. (затова такива устройства се наричат диоди на Gunn). В местната литература те също се наричат устройства с обемна нестабилност или с интервален пренос на електрони, тъй като активните свойства на диодите се определят от прехода на електрони от „централната“ енергийна долина към „страничната“, където се характеризират с голяма ефективна маса и ниска подвижност. В чуждестранната литература последното име съответства на термина TED (Transferred Electron Device).

където е диелектричната релаксационна константа; – концентрация на електрони в оригиналния n-GaAs. В хомогенна проба, към която се прилага постоянно напрежение , локално увеличаване на концентрацията на електрони води до появата на отрицателно зареден слой (фиг. 2), движещ се по пробата от катода към анода.

Фиг.2. Да се обясни процесът на образуване на натрупващ слой в равномерно легиран GaAs.

Въпреки това, такова разпределение на електрическото поле е нестабилно и ако има нехомогенност в пробата под формата на скокове в концентрация, подвижност или температура, тя може да се трансформира в така наречената област на силно поле. Силата на електрическото поле е свързана с концентрацията на електрони чрез уравнението на Поасон, което за едномерния случай има формата

(1)

Фиг.3. Да се обясни процесът на образуване на диполна област.

(2)

Този режим на работа на диод на Gunn се нарича транзитен режим. В транзитен режим токът през диода се състои от импулси, следващи период . Диодът генерира микровълнови трептения с честота на полет , определени главно от дължината на пробата и слабо зависими от натоварването (именно тези колебания Гън наблюдава при изследване на проби от GaAs и InP).

; (3)

. (4)

Режими на работа на домейна.

. (5)

Фиг.5. Да се определят параметрите на диполната област.

Фигура 5, b показва зависимостта на напрежението на домейна върху напрегнатостта на електрическото поле извън него, където е дължината на домейна (фиг. 3, c). Там е построена „инструментална линия“ от диод с дължина при дадено напрежение, като се вземе предвид фактът, че общото напрежение на диода е . Пресечната точка А определя напрежението на домейна и напрегнатостта на полето извън него. Трябва да се има предвид, че домейнът възниква при постоянно напрежение , но може да съществува и когато по време на движението на домена към анода напрежението върху диода намалява до стойността (пунктирана линия на фиг. 5, b). Ако напрежението на диода се намали допълнително, така че да стане по-малко от напрежението на изчезване на домейна, полученият домейн ще се разреши. Напрежението на затихване съответства на момента, в който "правата линия на инструмента" докосне линията на фиг. 5, b.

(6)

Фиг.6. Диод на Гън.

Приблизително се смята, че домейнът ще има време да се формира напълно в следното време:

Стойността на произведението на концентрацията на електрони и дължината на пробата се нарича критична и се обозначава . Тази стойност е границата между режимите на домейна на диода на Gunn и режимите със стабилно разпределение на електрическото поле в равномерно легирана проба. Когато не се образува област със силно поле, пробата се нарича стабилна. Възможни са различни режими на домейн. Критерият за типа е валиден, строго погледнато, само за структури, в които дължината на активния слой между катода и анода е много по-малка от напречните размери: (фиг. 6, а), което съответства на едномерна задача и е характерен за планарни и мезаструктури. За тънкослойни структури (фиг. 6, b) епитаксиален активен слой GaAs дълъг 1 може да бъде разположен между субстрат с високо съпротивление 3 и изолационен диелектричен филм 2, направен например от SiO 2. Омичните анодни и катодни контакти се произвеждат чрез фотолитографски методи. Напречният размер на диод може да бъде сравним с неговата дължина. В този случай пространствените заряди, образувани по време на образуването на домейна, създават вътрешни електрически полета, които имат не само надлъжен компонент, но и напречен компонент (фиг. 6, в). Това води до намаляване на полето в сравнение с едномерен проблем. Когато дебелината на активния филм е малка, когато , критерият за липса на нестабилност на домейна се заменя с условието . За такива структури, със стабилно разпределение на електрическото поле, то може да бъде по-голямо.

Когато диодът работи във верига с високо съпротивление, когато , амплитудата на променливото напрежение може да бъде доста голяма, така че през част от периода моментното напрежение на диода става по-малко от прага (съответства на крива 2 на фиг. 4б). В този случай говорим за режим със закъснение във формирането на домейна. Домейнът се формира, когато напрежението на диода надвиши прага, т.е. в даден момент (виж фиг. 4, d). След образуването на домейна диодният ток намалява до и остава такъв през времето на полета на домейна. Когато домейнът изчезне на анода в даден момент, напрежението на диода е по-малко от прага и диодът представлява активно съпротивление. Промяната в тока е пропорционална на напрежението на диода до момента, в който токът достигне максималната си стойност и напрежението на диода е равно на прага. Започва формирането на нов домейн и целият процес се повтаря. Продължителността на токовия импулс е равна на времето на забавяне на образуването на нов домейн. Времето за формиране на домейн се счита за малко в сравнение с и . Очевидно такъв режим е възможен, ако времето на полета е в границите и честотата на генерираните трептения е .

При още по-голяма амплитуда на високочестотното напрежение, съответстващо на крива 3 на фиг. 4b, минималното напрежение на диода може да бъде по-малко от напрежението на затихване на диода. В този случай възниква режим с затихване на домейна (виж фиг. 4d). Домейнът се формира в даден момент и се разпада в момент, когато започне да се формира нов домейн, след като напрежението надвиши прагова стойност. Тъй като изчезването на домейн не е свързано с достигането му до анода, времето на полета на електрони между катода и анода в режим на охлаждане на домейна може да надвиши периода на трептене: . По този начин, в режим на затихване. Горната граница на генерираните честоти е ограничена от условието и може да бъде .

Режим ONOZ.

Малко по-късно от режимите на домейна беше предложен и приложен режим за ограничаване на натрупването на пространствен заряд за диодите на Gunn. Съществува при постоянни напрежения на диода, няколко пъти по-високи от праговата стойност, и големи амплитуди на напрежението при честоти, няколко пъти по-високи от честотата на полета. За да се приложи режимът ONOS, са необходими диоди с много равномерен допинг профил. Равномерното разпределение на електрическото поле и концентрацията на електрони по дължината на пробата се осигурява поради високата скорост на промяна на напрежението в диода. Ако периодът от време, през който напрегнатостта на електрическото поле преминава през областта на NDC характеристиката, е много по-малък от времето за образуване на домейна, тогава няма забележимо преразпределение на полето и пространствения заряд по дължината на диода. Скоростта на електроните в целия образец „следва” изменението на електрическото поле, а токът през диода се определя от зависимостта на скоростта от полето (фиг. 7).

Фиг.7. Времева зависимост на тока на диода на Gunn в режим ONOS.

Разглежданите процеси в диод на Гън в режими на домейн са по същество идеализирани, тъй като те се реализират при относително ниски честоти (1–3 GHz), където периодът на трептене е значително по-малък от времето за образуване на домейн, а дължината на диода е много по-голяма от дължината на домейна при конвенционални нива на допинг . Най-често диодите на Gunn с непрекъсната вълна се използват при по-високи честоти в така наречените хибридни режими. Хибридните режими на работа на диодите на Gunn са междинни между режимите ONOS и домейн. Характерно за хибридните режими е, че образуването на домейн отнема по-голямата част от периода на трептене. Непълно оформен домейн се разрешава, когато моментното напрежение на диода намалее до стойности под прага. Силата на електрическото поле извън областта на нарастващ пространствен заряд остава като цяло по-висока от прага. Процесите, протичащи в диода в хибриден режим, се анализират с помощта на компютър с помощта на уравнения (1), (3) и (4). Хибридните режими заемат широк диапазон от стойности и не са толкова чувствителни към параметрите на веригата, колкото режима ONOZ.

Фиг.8. Електронна ефективност на диодни генератори GaAs Gunn за различни режими на работа:

1–със забавяне на образуването на домейн

2–с потискане на домейна

Фиг.9. Времева зависимост на напрежението (a) и тока (b) на диод на Gunn в режим на висока ефективност.

3-хибрид

Конструкции и параметри на генератори на базата на диоди на Ган.

В режими на домейн следователно в съответствие с ние имаме:

Във вълноводен генератор (фиг. 10, а) диодът на Gunn 1 е монтиран между широките стени на правоъгълен вълновод в края на метален прът. Преднапрежението се подава през входа на дросела 2, който е направен под формата на секции от четвърт вълнови коаксиални линии и служи за предотвратяване на проникването на микровълнови трептения във веригата на източника на захранване. Резонаторът с нисък Q се формира от диодните монтиращи елементи във вълновода. Честотата на генератора се настройва с помощта на варакторен диод 3, разположен на разстояние от половин вълна и монтиран във вълновода подобно на диод на Gunn. Често диодите са включени във вълновод с намалена височина, който е свързан към изходен вълновод със стандартна секция чрез четвърт вълнов трансформатор.

Фиг. 10. Проектиране на генератори на базата на диоди на Gunn:

а-вълновод; b-микролента; c–с настройка на честотата чрез YIG сфера

При микролентов дизайн (фиг. 10, b) диод 1 е свързан между основата и лентовия проводник. За стабилизиране на честотата се използва висококачествен диелектричен резонатор 4 под формата на диск, изработен от диелектрик с ниски загуби и висока стойност (например бариев титанат), разположен близо до MPL лентов проводник с ширина . Кондензатор 5 служи за разделяне на силовите вериги и микровълновия път. Захранващото напрежение се подава през индукторна верига 2, състояща се от две четвъртвълнови MPL секции с различни вълнови импеданси, а линията с ниско съпротивление е отворена. Използването на диелектрични резонатори с положителен температурен коефициент на честота прави възможно създаването на осцилатори с малки честотни измествания при промяна на температурата (~40 kHz/°C).

Генератори с регулируема честота, базирани на диоди на Gunn, могат да бъдат конструирани с помощта на монокристали от итриев железен гранат (фиг. 10, c). Честотата на генератора в този случай се променя поради настройката на резонансната честота на висококачествен резонатор, който има формата на YIG сфера с малък диаметър, когато се променя магнитното поле. Максимална настройка се постига в диоди без опаковка, които имат минимални реактивни параметри. Високочестотната верига на диода се състои от къс завой, обхващащ YIG-сферата 6. Връзката на диодната верига с веригата на натоварване се осъществява благодарение на взаимната индуктивност, осигурена от YIG-сферата и ортогонално разположените съединителни завои. Диапазонът на електрическа настройка на такива генератори, широко използвани в автоматичните измервателни устройства, достига октава с изходна мощност от 10–20 mW.

Фиг. 11. Обобщена еквивалентна схема на диод на Ган.

Усилватели на базата на диоди на Gunn.

Развитието на усилватели, базирани на диоди на Gunn, представлява голям интерес, особено за милиметровия диапазон на дължина на вълната, където използването на микровълнови транзистори е ограничено. Важна задача при създаването на усилватели, базирани на диоди на Gunn, е да се осигури стабилност на тяхната работа (стабилизация на диода) и най-вече да се потиснат трептенията от домейн тип малък сигнал. Това може да се постигне чрез ограничаване на параметъра на диода, натоварване на диода с външна верига, избор на профил на допиране на диод, намаляване на напречното сечение или прилагане на диелектричен филм върху пробата. Като усилватели се използват както планарни, така и мезаструктурни диоди, които имат отрицателна проводимост при напрежения над прага в широк честотен диапазон близо до честотата на полета и се използват като регенеративни отразяващи усилватели с циркулатор на входа, както и по-сложни филмови структури които използват феномена на пространствения заряд на растежа на вълната в материал с NDC, често наричан тънкослойни усилватели на пътуваща вълна (TWA).

Фиг. 12. Допинг профил (a) и разпределение на полето (b) в диод на Gunn с катодна област с високо съпротивление.

В ход е разработването на тънкослойни усилватели на бягаща вълна (фиг. 13), които осигуряват еднопосочно усилване в широка честотна лента и не изискват използването на разделителни циркулатори. Усилвателят е епитаксиален слой от GaAs 2 с дебелина (2–15 μm), отгледан върху субстрат с високо съпротивление 1. Омичните катодни и анодни контакти са разположени на разстояние един от друг и осигуряват дрейф на електрони по филма при постоянно напрежение се прилага към тях. За въвеждане и извеждане на микровълновия сигнал от устройството се използват два контакта 3 под формата на бариера на Шотки с ширина 1–5 μm. Входният сигнал, подаден между катода и първия контакт на Шотки, възбужда вълна от пространствен заряд в електронния поток, който променя амплитудата си, докато се движи към анода с фазова скорост.

Фиг. 13. Диаграма на GaAs тънкослоен усилвател на бягаща вълна с надлъжен дрейф

(10)

[L]. Березин и др. Микровълнови електронни устройства. – М. Висше училище 1985г.

Обсъждане на уравнения (1) с цел модифицирането им за полето на ЕМ векторния потенциал, тъй като новите уравнения ще позволят последователно да се опишат процесите на нетермично действие на електродинамични полета в материални среди: електрически и магнитни поляризация на средата, предаване на ъглов момент на ЕМ импулса към нея. Самите първоначални връзки на първичната връзка между компонентите на ЕМ полето и полето на ЕМ векторния потенциал с...

Полярности на захранващите устройства на фигура 3.4 и посоки на токовете за p-n-p транзистор. В случай на n-p-n транзистор, полярността на напрежението и посоките на тока са обърнати. Фигура 3.4 Физически процеси в BT. Този режим на работа (NAR) е основен и определя предназначението и наименованието на транзисторните елементи. Емитерният преход инжектира носители в тесен...

Те са свързани към вторични устройства с помощта на термоелектрически проводници, които сякаш удължават термоелектродите. Вторични устройства, които работят заедно с термоелектрически преобразуватели, са магнитоелектрични миливолтметри и потенциометри. Работата на магнитоелектричния миливолтметър се основава на взаимодействието на рамка, образувана от проводник, през който протича ток с...

Контрол на температурата; Германиеви и силициеви плоски диоди. Теоретични хранителни знания, необходими за лабораторната работа: 1. Физични процеси, възникващи в резултат на контакт на проводници с различни видове проводимост. 2. Електронно-ведомствен преход на ниво важност. Енергийна диаграма. 3. Инжектиране и извличане на заряда. 4. Волт амперна характеристика (...

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

публикувано на http://www.allbest.ru//

Въведение

Произходът и развитието на микроелектрониката като ново научно и техническо направление, което осигурява създаването на сложно радиоелектронно оборудване (REA), е пряко свързано с кризисната ситуация, възникнала в началото на 60-те години, когато традиционните методи за производство на REA от дискретни елементи чрез тяхното последователно сглобяване не можеше да осигури необходимата надеждност, ефективност, енергоемкост, време за производство и приемливи размери на REA.

Въпреки краткия период на своето съществуване, взаимовръзката на микроелектрониката с други области на науката и технологиите осигури необичайно високи темпове на развитие на тази индустрия и значително намали времето за промишлена реализация на нови идеи. Това беше улеснено и от появата на особени връзки за обратна връзка между разработването на интегрални схеми, които са в основата на автоматизацията на производството и управлението, и използването на тези разработки за автоматизиране на самия процес на проектиране, производство и тестване на интегрални схеми.

Развитието на микроелектрониката направи фундаментални промени в принципите на проектиране на електронните устройства и доведе до използването на сложна интеграция, която се състои от:

структурна или схемна интеграция (т.е. интеграция на функции на верига в рамките на една структурна единица); със степента на интеграция от порядъка на стотици и хиляди компоненти, съществуващите методи за разделяне на системите на компоненти, устройства, подсистеми и блокове, както и формите за координиране на развитието на компоненти, устройства и подсистеми, стават неефективни; в същото време центърът на тежестта се премества в областта на схемотехниката, което изисква радикално преструктуриране на методите за внедряване на електронни системи с изграждането на оборудване на супермодулно ниво;

1. Ролята на тънкослойната технология в производството на интегрални схеми

Интегрираната електроника се развива не като нова или отделна област на технологията, а чрез обобщаване на много технологични техники, използвани преди това в производството на дискретни полупроводникови устройства и в производството на филмови покрития с горно покритие. В съответствие с това са идентифицирани две основни направления в интегрираната електроника: полупроводникова и тънкослойна.

Създаването на интегрална схема върху единична монокристална полупроводникова (засега само силиконова) пластина е естествено развитие на технологичните принципи за създаване на полупроводникови устройства, разработени през последните десетилетия, които, както е известно, са се доказали в експлоатация.

Тънкослойното направление на интегрираната електроника се основава на последователното израстване на филми от различни материали върху обща основа (субстрат) с едновременно образуване на микрочасти (резистори, кондензатори, контактни площадки и др.) и връзки във веригата от тези филми.

Сравнително наскоро полупроводниковите (твърди) и тънкослойните хибридни интегрални схеми се считаха за конкурентни направления в развитието на интегрирана електроника. През последните години стана ясно, че тези две направления съвсем не се изключват, а напротив, взаимно се допълват и обогатяват. Освен това до ден днешен не са създадени интегрални схеми, използващи нито един вид технология (и, очевидно, няма нужда от това). Дори монолитни силициеви вериги, произведени предимно с помощта на полупроводникова технология, едновременно използват методи като вакуумно отлагане на филми от алуминий и други метали за създаване на връзки във веригата, т.е. методи, на които се основава технологията за тънък слой.

Голямото предимство на тънкослойната технология е нейната гъвкавост, изразяваща се във възможността за избор на материали с оптимални параметри и характеристики и реално получаване на всяка необходима конфигурация и параметри на пасивните елементи. В този случай допустимите отклонения, с които се поддържат отделните параметри на елементите, могат да бъдат увеличени до 1-2%. Това предимство е особено ефективно в случаите, когато точната стойност на рейтингите и стабилността на параметрите на пасивните компоненти са критични (например при производството на линейни вериги, резистивни и RC вериги, някои видове филтри, фазово-чувствителни и селективни вериги, генератори и др.).

Поради непрекъснатото развитие и подобряване както на полупроводниковата, така и на тънкослойната технология, както и на нарастващата сложност на интегралните схеми, което се отразява в увеличаването на броя на компонентите и сложността на техните функции, трябва да се очаква, че в близко в бъдеще ще има процес на интегриране на технологични методи и техники и най-сложните интегрални схеми ще бъдат произведени с помощта на конвергентна технология. В този случай е възможно да се получат такива параметри и такава надеждност на ИС, които не могат да бъдат постигнати при използване на всеки тип технология поотделно. Например при производството на полупроводникова ИС всички елементи (пасивни и активни) се изпълняват в един технологичен процес, така че параметрите на елементите са взаимосвързани. Активните елементи са решаващи, тъй като обикновено преходът база-колектор на транзистора се използва като кондензатор, а областта на дифузия, получена в резултат на създаването на основата на транзистора, се използва като резистор. Невъзможно е да се оптимизират параметрите на един елемент, без същевременно да се променят характеристиките на други. Предвид характеристиките на активните елементи, рейтингите на пасивните елементи могат да се променят само чрез промяна на техните размери.

Когато се използва комбинирана технология, активните елементи най-често се произвеждат по равнинна технология в силиконова пластина, а пасивните елементи се произвеждат по тънкослойна технология върху оксидиран елемент по елемент (резистори и понякога кондензатори) - повърхността на същата силиконова пластина . Производствените процеси на активната и пасивната част на ИС обаче са разделени във времето. Следователно характеристиките на пасивните елементи са до голяма степен независими и се определят от избора на материал, дебелина на филма и геометрия. Тъй като транзисторите на хибридната интегрална схема са разположени вътре в субстрата, размерът на такава верига може да бъде значително намален в сравнение с хибридните интегрални схеми, които използват отделни активни елементи, които заемат относително голямо пространство върху субстрата.

Схемите, направени по комбинирана технология, имат редица несъмнени предимства. Например, в този случай е възможно да се получат резистори с голяма стойност и малък температурен коефициент на съпротивление, с много тясна ширина и високо повърхностно съпротивление, в малка площ. Контролът на скоростта на отлагане по време на производството на резистори позволява те да бъдат произведени с много висока точност. Резисторите, получени чрез отлагане на филм, не се характеризират с токове на утечка през субстрата дори при високи температури, а относително високата топлопроводимост на субстрата предотвратява възможността за поява на зони с повишени температури във веригите.

Тънките филми, в допълнение към производството на интегрални схеми, използващи епитаксиално-планарна технология, се използват широко в производството на хибридни интегрални схеми, както и в производството на нови видове микроелектронни устройства (устройства със зарядна връзка, криотронни зарядни устройства на базата на Джоузефсън ефект, зарядни устройства върху цилиндрични магнитни домени и др.).

2. Тънкослойна метализация на полупроводникови устройства и интегрални схеми

В производството на полупроводникови устройства и интегрални схеми за създаване на омични контакти към силиций, връзки и контактни подложки, както и електроди на затвори на MOS структури, алуминиевите филми са широко разпространени поради следните предимства на този метал:

ниска цена на Al и възможност за използване на един метал за всички процеси на метализация, което значително опростява и намалява цената на технологията и предотвратява появата на галванични ефекти;

висока електропроводимост на Al филми, близка до електропроводимостта на насипния материал; лесно изпаряване на Al във вакуум от волфрамови тигли и електронно-лъчеви изпарители;

висока адхезия на А1 към силиций и неговите оксиди; нискоомен контакт на Al със силиций и n-тип проводимост;

забележима разтворимост на силиций в Al с образуването на твърд разтвор, който почти не намалява електрическата проводимост;

липсата на химически съединения в системата Al-Si;

химическо взаимодействие на А1 със Si02, частично оставащо върху контактните площадки; химическа устойчивост А1 в окислителна среда и радиационна устойчивост;

лекота на фотолитографски операции за получаване на конфигурация на проводими пътеки с помощта на ецващи вещества, които не реагират със силиций и силициев диоксид; добра пластичност на Al и устойчивост на циклични температурни промени.

Размерът на зърното на отложените Al филми зависи значително от скоростта на изпарение и температурата на субстратите. Колкото по-голям е размерът на зърното и колкото по-съвършена е кристалната структура на филма, толкова по-ниско е неговото съпротивление, толкова по-малък е ефектът от електромиграцията и в резултат на това пътеките за пренасяне на ток и омичните контакти имат по-дълъг експлоатационен живот. Ориентираният растеж на Al филми върху неокислени силициеви повърхности в равнината (111) се наблюдава при скорости на отлагане от около 3 * 10-2 μm * s-1 и температура на субстрата от 200--250°C.

За да се получат такива високи скорости на отлагане на филм, най-често се използват електронно-лъчеви изпарители. В този случай степента на съвършенство на кристалната структура на филмите може да се промени неконтролируемо поради допълнително радиационно нагряване на субстратите, чиято величина зависи както от мощността на изпарителя, така и от материала на субстрата и дебелината на слоя. депозиран филм. Неконтролирани промени в структурата на филма също възникват поради наличието на заредени частици в молекулярния лъч на изпарените Al пари. Колкото по-висок е емисионният ток на катода и скоростта на изпарение, толкова по-висока е концентрацията на заредени частици.

Един от съществените недостатъци на чистите Al филми е преносът на материя в резултат на електродифузия (дрейф на йони на материала по протежение на проводник, независимо дали има потенциална разлика в краищата на последния). Скоростта на движение на йони е функция на температурата и нараства с температурата. В допълнение към електродифузията е възможна дифузия на метални атоми в резултат на температурната разлика в краищата на проводника. Ако Al се отложи върху силициев оксид, това причинява лошо разсейване на топлината, появата на "горещи" центрове по проводимите пътища и в резултат на това значителни температурни градиенти. Електромиграцията на Al при плътности на тока, по-ниски от другите метали, води до появата на кухини във филма (ефект на Киркендъл).

Тъй като електродифузията е процес на активиране, тя значително зависи от състоянието на повърхността на границата на зърното. Намаляването на обхвата на границите чрез увеличаване на размера на зърната и избор на материал за защитно покритие може значително да увеличи енергията на активиране и, като следствие, времето между отказите. Значително увеличаване на времето между отказите може да се постигне чрез добавяне на примеси от мед, магнезий, хром и алуминиев оксид към алуминия.

След нанасяне на филма A1 и получаване на необходимата конфигурация на тоководещите релси, A1 се разтопява в силиций при температура 500-550°C, за да се получи контакт с ниско съпротивление. Миграцията на излишния силиций по токовите пътища в близост до контактните субстрати причинява отлепване на A1 и повреди на IC. За да се предотврати това, е необходимо да се въведат около 2 тегл. % силиций. Добавянето на силиций към контактните подложки от A1 намалява миграцията на силиций от плиткия емитерен слой (около 1 μm), което значително повишава производителността на IC на биполярни транзистори и предотвратява късо съединение на плитките емитерни преходи в IC . За да се предотврати миграцията на силиций във филма A1, като междинен слой може да се използва титанов филм. Използването на метода за създаване на омични контакти с титанов подслой в бързодействащи интегрални схеми позволи да се увеличи времето между отказите с 20 пъти. В допълнение към титана може да се използва долен слой от платина или паладий за образуване на платинов силицид или паладиев силицид.

Наред с изброените по-горе предимства, алуминиевата метализация има редица съществени недостатъци, най-важните от които са следните:

ниска енергия на активиране на атомите А1, причиняваща електромиграция при плътност на тока от приблизително 106 A/cm2 и повишени температури, което води до появата на кухини във филмите;

възможността за късо съединение през диелектрика в многостепенни системи за метализация поради образуването на остри издатини на шиш в резултат на електромиграция и рекристализация на А1;

опасност от галванична корозия на Al при едновременно използване на други метали; висока скорост на дифузия на А1 по границите на зърната, което не позволява използването на устройства с метализация А1 при температури над 500°C;

интензивно химично взаимодействие на А1 със силициев диоксид при температура около 500°C;

ниската точка на топене в евтектиката на системите алуминий-силиций е около 577°C;

голяма разлика (6 пъти) между коефициентите на термично разширение А1 и 51;

мекота на А1 и следователно ниска механична якост на филмите;

невъзможност за свързване на проводници чрез запояване;

високо прагово напрежение в MOS структури поради високата работна функция.

Поради изброените недостатъци алуминиевата метализация не се използва в ИС и транзистори с малки емитерни преходи, както и в МИС ИС за ... създаване на гейт електроди. За тази цел се използват еднослойни и многослойни системи от различни метали (включително А1 за горния слой). Най-подходящите материали са волфрам и молибден. По-специално, волфрамът има почти същия TCR като силиция, добър омичен контакт със силиций- и n-тип проводимост, малка (2,5 пъти) разлика от алуминия в електрическата проводимост, най-високата енергия на активиране от всички метали по време на самодифузия, висока температурно топене на евтектика със силиций, химическа инертност във въздуха и във воден разтвор на флуороводородна киселина, както и висока твърдост, която елиминира възможността за надраскване върху филма.

Благодарение на високата температурна устойчивост на W, той може да се използва за многослойна метализация, редуващи се слоеве от силициев диоксид с W. По време на топлинна обработка не се образуват могили по повърхността на фолиото и няма опасност от късо съединение между тоководещи пътища при многослойна метализация. В допълнение, W филмите (както и Mo филмите) са металургична бариера, която предотвратява образуването на междукристална структура от силиций и алуминий.

Недостатъкът на W метализацията е трудността при получаване на филми (за които обикновено се използва пиролиза на волфрамов хексофлуорид) и тяхното ецване (в алкален разтвор на фероцианид). И двата процеса са сложни и включват токсични вещества. Освен това е невъзможно да се свържат външни проводници директно към волфрам, така че някакъв друг метал (Pt, Ni, Au, Cu, Al и т.н.) се прилага върху контактните площадки.

При производството на микровълнови ИС, ИС със специално предназначение, а също и в хибридната технология се използва метализация, състояща се от няколко слоя тънки метали. В този случай обикновено първият (долният) слой метал трябва да има висока адхезия както към силиция, така и към силициевия диоксид и в същото време да има ниски коефициенти на разтворимост и дифузия в тези материали. На тези изисквания отговарят метали като хром, титан, молибден и платинов силицид. При двуслойна метализация вторият (горен) слой метал трябва да има висока електрическа проводимост и да осигури заваряване на проводници към него. Въпреки това, в някои системи (като Cr-Au, Ti-Au или Cr-Cu) контактите

По време на топлинна обработка те губят механична якост в резултат на образуването на интерметални съединения по техните граници. В допълнение, покриващият метал дифундира през долния слой в силиция, което намалява механичната якост на съединението и променя контактното съпротивление. За да се елиминира това явление, обикновено се използва трети слой метал, който е бариера, която предотвратява взаимодействието на горния метализиращ слой със силиций. Например в тройната система Tt-Pl-Au, която се използва при производството на лъчеви клеми, слоят

Ориз. 1. Схема на производствения процес на двустепенна метализация в системата A1-A1rOz-A1. микроелектроника интегриран тънък филм

a- нанасяне на дебели и тънки слоеве силициев оксид преди метализация (показана е зоната на омичен контакт); б - нанасяне на алуминий, оформящо първо ниво; в -- фотогравиране на първо ниво метал; г - анодиране на първо ниво на метализация с фоторезистна маска; е - фотогравиране на второ ниво на метализация.

Pt с дебелина около 5X10-2 μm служи като бариера срещу дифузията на A1 в S1. В допълнение, за лъчеви терминали в MIS ИС се използват системи Cr-Ag-Au, Cr-Ag-Pt, Pd-Ag-Au, в които сребърен филм играе ролята на бариера. За хибридни интегрални схеми и лентови микровълнови IC линии се използват системите Cr-Cu и Cr-Cu-Cr.

Увеличаването на плътността на елементите върху чипа изисква използването на многостепенна метализация. На фиг. Фигура 1 показва последователността на производство на двустепенна метализация в системата A1-A1203-A1, която се използва в устройства със зарядна връзка.

Сравнително нов изолационен материал за многостепенна метализация е полиимидът, с който се получава петстепенна метализация на LSI на MOS транзистори.

3. Фактори, влияещи върху свойствата на тънките слоеве

Растежът на едно вещество върху субстрат от друго вещество е много сложен процес, който зависи от голям брой трудни за контрол параметри: структурата на субстрата, състоянието на неговата повърхност, температурата, свойствата на изпареното вещество и скоростта на отлагането му, материала и конструкцията на изпарителя, степента на вакуум, състава на остатъчната среда и редица други. В табл Фигура 1 показва връзката между свойствата на филмите и условията на тяхното отлагане.

Свойства на филма

фактори, влияещи върху тези свойства

Размер на зърното

Субстрат и филмов материал. Замърсяване на субстрата.

Подвижност на атомите от отложен материал върху повърхността

субстрати (температура на субстрата, скорост на отлагане).

Структура на повърхността на субстрата (степен на грапавост,

наличие на кристали)

Поставяне на кристали

Структура на субстрата "" (монокристален,

поликристален или аморфен). Замърсяване на субстрата

(нарушаване на структурата на филма). Температура на основата

(осигуряване на необходимата подвижност на атомите на отложеното

материал)

Адхезия между филма

Субстрат и филмов материал. Допълнителни процеси

(например образуването на междинен оксиден слой

между филма и субстрата). Замърсяване на субстрата.

Подвижност на атомите на отложен материал

Замърсяване

Чистота на изпарения материал. Материал на изпарителя.

Замърсяване на субстрата. Степен на вакуум и състав

газове и скорост на отлагане

Окисляване

Степента на химичен афинитет на депозирания материал към

кислород. Абсорбция на водни пари от субстрата.

Температура на основата. Степен на вакуум и състав

остатъчна среда. Връзката между остатъчното налягане

газове и скорост на отлагане

Волтаж

Филм и субстратен материал. Температура на основата.

Размер на зърната, включвания, кристалографски дефекти в

филм. Отгряване. Ъгъл между молекулярния лъч и субстрата

В зависимост от конкретните условия на отлагане филмите от едно и също вещество могат да имат следните основни структурни характеристики: аморфна структура, характеризираща се с липса на кристална решетка; колоидна (дребнозърнеста) структура, характеризираща се с наличието на много малки кристали (по-малко от 10~2 µm); гранулирана (едрозърнеста) структура с големи кристали (10-1 µm или повече); монокристална структура, когато целият филм е непрекъсната кристална решетка от атоми на даден материал.

4.Субстрати

Материалът, използван за производството на субстрати, трябва да има хомогенен състав, гладка повърхност (със степен на завършване 12-14), да има висока електрическа и механична якост, да бъде химически инертен, да има висока устойчивост на топлина и топлопроводимост, коефициенти на топлинно разширение на материала на субстрата и отложения филм трябва да бъдат близки по стойност. Съвсем ясно е, че е почти невъзможно да се изберат материали за подложки, които еднакво да отговарят на всички изброени изисквания.

Като субстрати за хибридни ИС използвам стъклокерамика, фотоситал, високоалуминиева и берилиева керамика, стъкло, поликор, полиимид, както и метали, покрити с диелектричен филм.

Ситалите са стъклокерамични материали, получени чрез топлинна обработка (кристализация) на стъкло. Повечето стъклокерамики са получени в системите Li2O-Al2O3-SiO2-TiO2 и RO-Al2O3-SiO2-TiO2 (CO тип CaO, MgO, BaO).

За разлика от повечето високоякостни, огнеупорни кристални материали, стъклокерамиката има добра гъвкавост по време на формоването. Може да се пресова, изтегля, валцува и центробежно лее и може да издържа на резки промени в температурата. Има ниски диелектрични загуби, електрическата му якост не отстъпва на най-добрите видове вакуумна керамика, а механичната му якост е 2-3 пъти по-здрава от стъклото. Sitall е непорест, газонепропусклив и има незначително отделяне на газ при високи температури.

Тъй като стъклокерамиката е многофазна структура, когато е изложена на различни химически реагенти, използвани например за почистване на повърхността на субстрата от замърсители, е възможно дълбоко селективно ецване на отделни фази, което води до образуването на остър и дълбок релеф върху повърхността на субстрата. Наличието на грапавост на повърхността на субстрата намалява възпроизводимостта на параметрите и надеждността на тънкослойните резистори и кондензатори. Следователно, за да се намали височината и да се изгладят ръбовете на микронеравностите, понякога се нанася слой грунд от материал с добри диелектрични и адхезивни свойства, както и еднаква структура (например слой от силициев монооксид с дебелина няколко микрона). към субстрата.

От стъклата като субстрати се използват аморфни силикатни стъкла, безалкално стъкло C48-3, боросиликатно и кварцово стъкло. Силикатните стъкла се получават от течна стопилка на оксиди чрез преохлаждането им, в резултат на което се запазва структурата на течността, т.е. характерното аморфно състояние. Въпреки че стъклата съдържат области с кристална фаза - кристалити, те са разпределени произволно в цялата структура, заемат малка част от обема и не оказват съществено влияние върху аморфността на стъклото.

Кварцовото стъкло е еднокомпонентно силикатно стъкло, състоящо се почти изцяло от силиций и получено чрез топене на естествените му разновидности. Има много нисък коефициент на топлинно разширение, което обуславя изключително високата му устойчивост на топлина. В сравнение с други стъкла, кварцовото стъкло е инертно към действието на повечето химически реагенти. Органичните и минералните киселини (с изключение на флуороводородна и фосфорна киселина) с всякаква концентрация, дори при повишени температури, почти нямат ефект върху кварцовото стъкло.

Керамичните субстрати са с ограничена употреба поради тяхната висока порьозност. Предимствата на тези субстрати са висока якост и топлопроводимост. Например, керамичният субстрат на основата на BeO има 200-250 пъти по-висока топлопроводимост от стъклото, така че при интензивни топлинни условия е препоръчително да се използва берилиева керамика. В допълнение към берилиевата керамика се използват керамика с високо съдържание на алуминий (94% Al2Oz), плътен алуминиев оксид, стеатитна керамика и глазирана керамика на базата на алуминиев оксид. Трябва да се отбележи, че глазурите са с дебелина под 100 микрона и следователно не осигуряват забележима бариера между филма и субстрата при ниски нива на мощност. Микрограпавостта на необработената керамика е стотици пъти по-голяма от тази на стъклото, достигайки няколко хиляди ангстрьома. Те могат да бъдат значително намалени чрез полиране, но това значително замърсява керамичната повърхност.

Наличието на замърсители върху субстрата има значителен ефект както върху адхезията, така и върху електрическите свойства на филмите. Ето защо, преди отлагането, е необходимо да се почистят добре субстратите, както и да се предпазят от възможността за поява на маслени филми, които могат да възникнат в резултат на миграцията на парите на работната течност от помпите. Ефективен метод за почистване е йонно бомбардиране на повърхността на субстрата в плазма с тлеещ разряд. За тази цел в работната камера на вакуумната инсталация обикновено се предвиждат специални електроди, към които се подава напрежение от няколко киловолта от маломощен източник на високо напрежение. Електродите най-често се изработват от алуминий, тъй като той има най-ниската скорост на катодно разпръскване сред металите.

Трябва да се има предвид, че дори незначителното замърсяване може напълно да промени условията на растеж на филма. Ако замърсителите са разположени върху субстрата под формата на малки острови, изолирани един от друг, тогава в зависимост от това коя енергия на свързване е по-голяма: между филмовия материал и замърсяващия материал или между филмовия материал и субстрата, филмът може да се образува или върху тези острови или върху оголени части от субстрата.

Адхезията на филма зависи до голяма степен от наличието на оксиден слой, който може да възникне по време на процеса на отлагане между филма и субстрата. Такъв оксиден слой се образува например по време на отлагането на желязо и нихром, което обяснява добрата адхезия на тези филми. Филмите, направени от злато, което не подлежи на окисление, имат лоша адхезия и следователно трябва да се създаде междинен подслой от материал с висока адхезия между златото и субстрата. Желателно е полученият оксиден слой да се концентрира между филма и субстрата. Ако оксидът е диспергиран в целия филм или е разположен на повърхността му, тогава свойствата на филма могат да се променят значително. Образуването на оксиди е силно повлияно от състава на остатъчните газове в работния обем на инсталацията и по-специално от наличието на водни пари.

5. Тънкослойни резистори

Материалите, използвани при производството на резистивни филми, трябва да осигуряват възможност за получаване на широка гама стабилни във времето резистори с нисък температурен коефициент на съпротивление (TCR), да имат добра адхезия, висока устойчивост на корозия и устойчивост на продължително излагане на повишени температури. Когато материалът се отложи върху субстрата, трябва да се образуват тънки, ясни линии със сложна конфигурация с добра повторяемост на модела от проба на проба.

Резистивните филми най-често имат фино-зърнеста дисперсна структура. Наличието на дисперсия r, структурата на филмите позволява, в първо приближение, да се разглежда тяхното електрическо съпротивление като общото съпротивление на отделните гранули и бариери между тях, при което характерът на общото съпротивление определя величината и знака на TK .С. Така например, ако съпротивлението на самите зърна е преобладаващо, тогава проводимостта на филма е метална по природа и TCR ще бъде положителен. От друга страна, ако съпротивлението се дължи на преминаването на електрони през пролуките между зърната (което обикновено се случва при малки дебелини на филма), тогава проводимостта ще бъде от полупроводников характер и съответно TCR ще бъде отрицателен.

Монолитното производство на IC използва предимно резистори с висок импеданс. За да бъдат резисторите възможно най-малки, те трябва да бъдат произведени със същата разделителна способност и толерантност като другите елементи на IC. Това изключва използването на свободни метални маски за получаване на необходимата конфигурация на резистори и позволява да се извърши само с фотолитография.

При производството на микромощни монолитни интегрални схеми, използващи комбинирана технология, става необходимо да се поставят резистори с високо съпротивление със съпротивление до няколко мегаома върху относително малка площ от кристала, което може да се постигне само ако материалът на резистора има Rs (10--20) kOhm/ c. Процесът на производство на резистори трябва да се комбинира с основния технологичен процес на производство на цялата силициева ИС по планарна или епитаксиално-планарна технология. Например, резистивните филми не трябва да са чувствителни към присъствието на силициев нитрид, фосфор, боросиликатно стъкло и други материали, използвани при производството на монолитни интегрални схеми върху силиконовата пластина. Те трябва да издържат на относително високата температура (500-550°C), която възниква по време на процеса на запечатване на IC, и в някои случаи не трябва да променят свойствата си под въздействието на окислителна среда. Монолитните интегрални схеми използват главно нихром и танта за производство на резистори.

При производството на хибридни интегрални схеми се използва много по-широка гама от тънкослойни резисторни материали.

Като филми с ниско съпротивление с Rs от 10 до 300 Ohm. Използват се филми от хром, нихром и t-tal. Производството на хромови филми с възпроизводими електрофизични свойства е донякъде усложнено от способността му да образува съединения (особено оксидни) при взаимодействие с остатъчни газове по време на изпаряване и отлагане. Резисторите на базата на хром-никелова сплав (20% Cr и 80% Ni) имат значително по-стабилни характеристики на танталовите филми, поради наличието на различни структурни модификации, имат много широк диапазон на повърхностни съпротивления (от няколко ома / сек. а-тантал до няколко MOhm/s за тантал с ниска плътност) Танталният нитрид също се използва като високо стабилен резистивен материал.

Значително разширяване на номиналните стойности на резисторите се постига чрез използване на металокерамични филми и филми от силициди на някои метали. В тези системи най-често се използва хром като метал и оксиди, бориди, нитриди и силициди на преходни метали, както и. оксиди на някои металоиди, се използват като диелектрик. Филмите от хромов дисилицид, както и филмите от сплав от силиций, хром и никел имат Rs до 5 kOhm/s; за филми, базирани на системи хром --- силициев моноксид Rs, в зависимост от съдържанието на хром, може да варира от единици до стотици ома/сек.

6. Тънкослойни кондензатори

Тънкослойните кондензатори, въпреки очевидната простота на трислойната структура, са най-сложните и трудоемки в сравнение с други филмови пасивни елементи.

За разлика от резисторите, подложките и превключвателите, при производството на които е достатъчно да се отложат един или два слоя (подслой и слой), производството на тънкослойни кондензатори изисква отлагането на поне три слоя: долната плоча, диелектричния филм и горната плоча (използването на повече плочи усложнява процеса на производство на кондензатори и увеличава тяхната цена).

Материалът, използван за производството на диелектрични филми, трябва да има добра адхезия към метала, използван за пластините на кондензатора, да е плътен и да не се подлага на механично разрушаване при излагане на температурни цикли, да има високо напрежение на пробив и ниски диелектрични загуби, да има висок диелектрик постоянни и не се разлагат по време на процеса на изпаряване и отлагане и имат минимална хигроскопичност.

Най-често срещаните материали, използвани като диелектрици във филмови кондензатори, са силициев моноксид (Si0) и германиев моноксид (GeO). През последните години за тази цел се използват алумосиликатни, боросиликатни и антимонидогерманиеви стъкла.

Най-обещаващите диелектрици са композитните стъкловидни съединения, тъй като те имат способността да променят електрофизичните, физикохимичните и термодинамичните свойства в широк диапазон чрез избиране на състава на стъклото и прилагане на характеристиките на агрегатното състояние на стъкловидни системи в тънкослоен метал -диелектрично-метални конструкции.

7. Филми от тантал и неговите съединения

През последните години филмите от тантал и неговите съединения стават все по-широко разпространени в производството на филмови елементи на интегрални схеми. Изборът на тантал като изходен материал до голяма степен се обяснява с факта, че в зависимост от условията за получаване на филми от талалум те могат да имат различна структура и съответно да променят както съпротивлението, така и температурния си коефициент в широки граници.

По отношение на кристалната структура и електрическите свойства b-танталовите филми са най-близки до масовия образец с едрокристална центрирана структура и имат относително ниско съпротивление (20-40 μOhm-cm). За разлика от k-тантала, p-танталът, който има тетрагонална финокристална структура и съпротивление от 160-200 km Ohm * cm, не се среща в масивни проби. Тази метастабилна модификация на тантал е характерна само за тънки филми.

Производството на филми от b - и c - тантал обикновено се извършва чрез катодно разпрашване при напрежение 4-5 kV и плътност на тока 0,1-1 mA / cm2. Ако намалите напрежението и не увеличите налягането на аргона, разрядният ток ще намалее, което ще доведе до значително намаляване на скоростта на отлагане. Това произвежда филми с ниска плътност, имащи силно пореста структура с размери на порите от (4--7)-10-3 µm, състоящи се от по-голям брой k- или p-танталови зърна с кристални размери от (3--5 ) * 10-2 µm. Високата порьозност на филмите и появата на системата метал-диелектрична смес причиняват аномално увеличение на съпротивлението (около 200 пъти в сравнение с b-тантала) и промяна в неговия температурен коефициент. Ако към аргона се добави азот в количество, значително надвишаващо фона на остатъчните газове, могат да се получат филми от танталов нитрид с две стабилни състояния Ta2N и TaN с различни кристални структури и електрически свойства.

Наличието на няколко модификации на тантал (b- и b-тантал, тантал с ниска плътност) и неговия нитрид дава възможност да се изберат различни топологични решения при проектирането на пасивната част на микросхемите.

Чистият b-тантал, поради високите механични напрежения във филма и лошата адхезия към субстрата, не е намерил широко приложение в производството на RC елементи на микросхеми; b-танталът се използва за производството на долните пластини на кондензатори и частично за производство на резистори. За направата на резистори се използват танталов нитрид и тантал с ниска плътност. Практическата стойност на тантала с ниска плътност се крие във възможността за получаване на високостабилни тънкослойни резистори (от 10 kOhm до няколко мегаома), които са малки по размер и имат проста конфигурация. Тънкослойните кондензатори могат да бъдат направени много по-лесно от тантал с ниска плътност, тъй като в този случай горният електрод, както и долният, могат да бъдат получени чрез разпръскване на тантал, докато при използване на тантал с нормална плътност се опитват да получат горния електрод по този начин често води до увреждане на диелектричния слой. В допълнение, танталът с ниска плътност прави възможно производството на RC вериги с разпределени параметри и регулируема стойност на резистора, които могат да се използват като горен електрод на кондензатор.

Танталният пентоксид (Ta2O5), получен чрез електролитна или плазмена анодизация, има ниски диелектрични загуби и може да се използва както като диелектрик за кондензатор, така и като изолатор или защитен слой за резистор. В допълнение, анодирането може да се използва за точно регулиране на стойностите на кондензаторите и резисторите. Използването на йонно ецване, както и разтворимостта на танталов нитрид, чист тантал и неговите оксиди в различни ецващи средства, прави възможно използването на различни методи за получаване на необходимата конфигурация на микросхемите.

По този начин, на базата на тантал, е възможно да се осигури групово производство на пасивни елементи (резистори, кондензатори, свързващи проводници и контактни площадки) както с концентрирани, така и с разпределени параметри, които по своята сложност не са по-ниски от елементите, направени на базата на други материали, но в същото време имат значително по-голяма точност, стабилност и надеждност. Универсалността на тантала и липсата на необходимост от използване на други материали показват, че по-голямата част от пасивните IC елементи могат да бъдат произведени на базата на „танталова технология“.

Заключение

Настоящият етап на развитие на интегрираната електроника се характеризира с тенденции за по-нататъшно увеличаване на работните честоти и намаляване на времето за превключване, повишаване на надеждността и намаляване на разходите за материали и производствения процес на IC.

Намаляването на цената на интегралните схеми изисква разработването на качествено нови принципи за тяхното производство чрез използване на процеси, базирани на подобни физични и химични явления, което, от една страна, е предпоставка за последващо интегриране на хомогенни технологични операции от производствения цикъл и, от друга страна, отваря фундаментална способност за контролиране на всички операции от компютър. Необходимостта от качествени промени в технологията и техническото преоборудване на индустрията е продиктувана и от прехода към следващия етап от развитието на микроелектрониката - функционална електроника, която се основава на оптични, магнитни, повърхностни и плазмени явления, фазови преходи, електрон. -фононни взаимодействия, ефекти на натрупване и пренос на заряд и др.

Критерият за "прогресивност" на технологичния процес, наред с подобряването на параметрите и характеристиките на самия продукт, е високата икономическа ефективност, обусловена от редица частни, взаимосвързани критерии, които осигуряват възможността за изграждане на комплекти от напълно автоматизирани , високопроизводително оборудване с дълъг експлоатационен живот.

Най-важните конкретни критерии са:

универсалност, т.е. възможност за извършване на целия (или по-голямата част от операциите) на производствения цикъл, като се използват едни и същи технологични методи;

непрекъснатост, която е предпоставка за последващо интегриране (комбиниране) на редица технологични операции от производствения цикъл, съчетано с възможност за използване на едновременна групова обработка на значителен брой продукти или полуфабрикати;

висока скорост на всички основни операции на технологичния процес или възможност за тяхното интензифициране, например в резултат на излагане на електрически и магнитни полета, лазерно лъчение и др.;

възпроизводимост на параметрите при всяка операция и висок процент на добив както на полуфабрикати, така и на годни продукти;

технологичност на дизайна на продукт или полуготов продукт, който отговаря на изискванията на автоматизираното производство (възможност за автоматизирано зареждане, базиране, монтаж, монтаж и т.н.), което трябва да се отрази в простотата на формата, както и ограничена допуски за габаритни и основни размери;

формализация, т.е. възможността за изготвяне (въз основа на аналитични зависимости на параметрите на продукта от параметрите на технологичния процес) математическо описание (алгоритъм) на всяка технологична операция и последващо управление на целия технологичен процес с помощта на компютър;

адаптивност (жизненост) на процеса, т.е. способността да съществува дълго време в условия на непрекъснато възникване и развитие на нови конкурентни процеси и способността за бързо възстановяване на оборудването за производство на нови видове продукти без значителни капиталови разходи.

Повечето от изброените критерии се удовлетворяват от процеси, които използват електронни и йонни явления, възникващи във вакуум и разредени газове, с помощта на които е възможно да се произвеждат:

йонно разпрашване на метали, сплави, диелектрици и полупроводници с цел получаване на филми с различни дебелини и състави, връзки, капацитивни структури, междуслойна изолация, междуслойно окабеляване;

йонно ецване на метали, сплави, полупроводници и диелектрици с цел отстраняване на отделни локализирани участъци при получаване на конфигурация на ИС;

плазмено анодиране за получаване на оксидни филми;

полимеризация на органични филми в области, облъчени с електрони, за получаване на органични изолационни слоеве;

почистване и полиране на повърхността на субстратите;

отглеждане на монокристали;

изпаряване на материали (включително огнеупорни) и прекристализация на филми;

микросмилане на филми;

микрозаваряване и микрозапояване за свързване на IC проводници, както и запечатване на корпуси;

безконтактни методи за наблюдение на параметрите на ИС.

Общото между физичните и химичните явления, на които се основават изброените процеси, показва фундаменталната възможност за тяхното последващо интегриране с цел създаване на нова технологична база за високопроизводително автоматизирано производство на интегрални схеми и функционални електронни устройства.

Публикувано на Allbest.ru

...

Подобни документи

Кратка историческа справка за развитието на интегралните схеми. Американски и съветски учени, които направиха огромен принос в развитието и по-нататъшното развитие на интегралните схеми. Клиенти и потребители на първите разработки на микроелектрониката и TS R12-2.

резюме, добавено на 26.01.2013 г

Създаване на интегрални схеми и развитие на микроелектрониката по света. Производство на евтини елементи за електронно оборудване. Основни групи интегрални схеми. Създаване на първата интегрална схема от Килби. Първите полупроводникови интегрални схеми в СССР.

резюме, добавено на 22.01.2013 г

Кратка техническа информация за продукта KR1095 PP1, предназначението на входовете и изходите, производствения процес. Ролята на свързващата метализация в производството на интегрирани системи и механизми за повреда в резултат на електромиграция. Разработване на магнетронни системи.

дисертация, добавена на 25.05.2009 г

Топология и елементи на MOS транзистор с диод на Шотки. Последователността на технологичните операции на неговото производство. Разработване на технологичен процес за производство на полупроводникови интегрални схеми. Характеристики на използваните материали и реактиви.

курсова работа, добавена на 12/06/2012

Принципът на действие на полупроводниковите диоди, свойствата на p-n преходите, дифузията и образуването на блокиращ слой. Използването на диоди като токоизправители, свойства и приложения на транзисторите. Класификация и технология на производство на интегрални схеми.

презентация, добавена на 29.05.2010 г

Структурни проблеми на топлинните условия на метални филми на безпакетни полупроводникови интегрални схеми: схема на нагряване и изчисляване на надеждността на предварителния проект. Честота на отказ на дизайна и структурата на проводника за метализация.

резюме, добавено на 13.06.2009 г

Електрофизични свойства на полупроводниковите материали, използването им за производството на полупроводникови устройства и микроелектронни устройства. Основи на лентовата теория на твърдите тела. Енергийни зони на полупроводници. Физически основи на наноелектрониката.

курсова работа, добавена на 28.03.2016 г

Анализ на технологията на производство на полупроводникови интегрални платки - този вид микросхеми, чиито елементи са направени в близкия повърхностен слой на полупроводниковата подложка. Характеристики на монокристалния силиций. Отглеждане на монокристали.

курсова работа, добавена на 12/03/2010

Надеждност на електронни компоненти, тунелен срив в тях и методи за определянето му. Надеждност на метализацията и контактите на интегралните схеми, параметри на тяхната надеждност. Механизмът на случайни повреди на диоди и биполярни транзистори на интегрални схеми.

резюме, добавено на 10.12.2009 г

Планаризацията е нискотемпературен процес, при който повърхностният релеф на плочата се изглажда. Дефекти на двустепенна метализация. Предназначение на проводимите слоеве при многослойна метализация. Многочипови модули тип MKM-D и MKM-A, характеристики.