مبانی فیزیکی میکروالکترونیک مبانی فیزیکی میکروالکترونیک، یادداشت های سخنرانی طرح ها و پارامترهای ژنراتورها بر اساس دیودهای گان

موسسه پلی تکنیک سراپول (شعبه)

موسسه آموزشی دولتی

آموزش عالی حرفه ای

"دانشگاه فنی دولتی ایژفسک"

وزارت قبرس

کار دوره

رشته: مبانی فیزیکی میکروالکترونیک.

با موضوع: دررفتگی. وکتور برگر. تاثیر نابجایی بر خواص

مصالح و مواد ساختمانی.

انجام شد: بررسی شد:

دانشجو gr. 471 معلم

Volkov A.V. Ivannikov V.P.

سراپول، 2010

معرفی................................................. .................. 1

انواع دررفتگی ..................................................... ........... ..2

وکتور کانتور و برگر..........................................2-3

حرکت دررفتگی................................................ ... ...3-4

تراکم دررفتگی ................................................ ...4

نیروی وارد بر دررفتگی................................4-5

انرژی نابجایی................................................ ... ..5

تولید مثل و تجمع دررفتگی ها................................5-6

نابجایی های فرانک و گسل های انباشتگی................6

نابجایی و خواص فیزیکی کریستال ها.....7

وابستگی قدرت به وجود دررفتگی...7-8

رشد کریستال................................................ .............8

نابجایی ها و هدایت الکتریکی ...................................8-9

نتیجه................................................. .....................10

فهرست مراجع................................................ 11

معرفی

تئوری دررفتگی در دهه 50 ظاهر شد. قرن گذشته به دلیل این واقعیت است که محاسبات نظری استحکام مواد به طور قابل توجهی با محاسبات عملی متفاوت است.

استحکام برشی نظری یک کریستال برای اولین بار توسط فرنکل بر اساس یک مدل ساده از دو ردیف اتم جابجا شده توسط تنش برشی محاسبه شد. فاصله بین صفحه (فاصله بین ردیف ها) برابر است آ ، و فاصله بین اتم ها در جهت لغزش برابر است ب . تحت تنش برشی τ این ردیف از اتم ها نسبت به یکدیگر جابه جا می شوند و در نقاطی مانند آ , که در و با , D ، که در آن تنش برشی مورد نیاز برای یک پیکربندی برشی معین صفر است. در موقعیت های میانی، تنش برشی مقادیر محدودی دارد که به صورت دوره ای در حجم شبکه تغییر می کند. تنش برشی را فرض کنید τ تابعی از افست خواهد بود ایکس با دوره ب :

برای افست های کوچک:

با استفاده از قانون هوک:

, (1.3)

که در آن G مدول برشی و - تغییر شکل برشی، ضریب تناسب را پیدا کنید به :

جایگزینی این مقدار به در (1.1) دریافت می کنیم:

حداکثر مقدار τ ، مربوط به ولتاژی است که در آن شبکه به حالت ناپایدار می رود:

قابل قبول است a ≈ ب ، سپس تنش برشی

تنش های برشی نظری مواد مختلف محاسبه شده در این روش به طور قابل توجهی در مقایسه با مقادیر عملی بالاتر بود. برای مس هم همینطور

ارزش نظری

با توجه به اختلاف شدید بین نتایج نظری و عملی، وجود عیوب خطی میکروسکوپی و نابجایی در کریستال فرض شد.

نابجایی ها ناپیوستگی در پیوستگی جابجایی بین دو قسمت از یک کریستال هستند که یکی از آنها تغییر مکان می دهد و دیگری تغییر نمی کند. بنابراین، تغییر شکل با عبور متوالی نابجایی ها در امتداد صفحه لغزش نشان داده می شود، و نه با برش همزمان در سراسر کریستال.

انواع دررفتگی.

دو نوع اصلی دررفتگی وجود دارد: لبه و پیچ.

1. دررفتگی لبه ها.

مدل دررفتگی لبه را می توان با برش شکاف در یک قطعه از یک بدنه جامد الاستیک نشان داد. آ ب پ ت ، در امتداد خط به پایان می رسد AB داخل این قطعه (شکل 1). مواد در یک طرف حرکت می کند و یک پله ایجاد می کند CDEF . خط آ ب ، مربوط به انتهای شکاف، مرز بین مواد تغییر شکل یافته و تغییر شکل نیافته است، نقاطی را تعیین می کند که در آن خط دررفتگی از سطح بدن خارج می شود.

Fig.1 Fig.2

شکل 2 یک مدل بصری از جابجایی لبه در یک شبکه مکعبی ساده را نشان می دهد. دررفتگی لبه به دلیل وجود یک نیم صفحه اضافی A، عمود بر صفحه لغزش B ایجاد می شود (شکل 2).

نیم صفحه اضافی می تواند بالای صفحه لغزش باشد (مانند شکل 2)، سپس نابجایی مثبت نامیده می شود و اگر نیم صفحه پایین باشد، منفی است.

2. دررفتگی پیچ:

مدل دررفتگی پیچ شبیه دررفتگی لبه است، اما جهت دررفتگی پیچ موازی با خط AB است، یک پله ADEF تشکیل می شود (شکل 3).

شکل 3 مدل دررفتگی پیچ.

طرح کلی و وکتور برگر:

برای توصیف نابجایی در کریستال ها، مفهوم کانتور و برگر برگر معرفی شده است. کانتور ترسیم شده در یک شبکه کامل، مستطیل بسته ای است که در آن آخرین بردارهای ترسیم شده به نقطه شروع در شکل 4 می رسد. کانتوری که نابجایی را در بر می گیرد ناپیوستگی دارد و برداری که برای بسته شدن کانتور باید رسم شود بردار برگر و کانتور ترسیم شده کانتور برگر نامیده می شود. بردار Burgers بزرگی و جهت گسیختگی را تعیین می کند؛ معمولاً برابر با یک فاصله بین اتمی است و در تمام طول نابجایی ثابت است، صرف نظر از اینکه جهت یا مکان آن تغییر کند. در یک کریستال کامل، برگر برگر صفر است. در کریستالی با نابجایی لبه، موازی با جهت لغزش است و با بردار لغزش در شکل 5 مطابقت دارد. در یک کریستال با نابجایی پیچ، عمود بر صفحه لغزش شکل 6 است.

Fig.4 Fig.5 Fig.6

در یک کریستال، نابجایی هایی نیز ممکن است که به طور کامل در داخل کریستال قرار داشته باشند، و مانند مواردی که در بالا به آن پرداخته شد، به سطح آن گسترش نیابند. نابجایی های درون یک کریستال می توانند در نابجایی های دیگر، در مرزهای دانه و سایر رابط ها قطع شوند. بنابراین، حلقه های نابجایی یا شبکه های به هم پیوسته نابجایی ها در داخل کریستال امکان پذیر است. چنین دررفتگی را می توان با یک خط دررفتگی به شکل حلقه یا حلقه از ناحیه تغییر شکل نیافته جدا کرد؛ به ویژه، می توان آن را با فشار دادن یک جسم به داخل کریستال به دست آورد. شکل 7 شکل گیری نابجایی منشوری را با فرورفتگی در ناحیه ABCD نشان می دهد.

در نقطه ای که سه نابجایی به هم می پیوندند، بردارهای برگر شکل 7 آنها با رابطه زیر مرتبط می شوند:

حرکت دررفتگی.

یکی از ویژگی های مهم نابجایی ها، توانایی آنها در حرکت تحت تأثیر تنش مکانیکی است. بگذارید یک قطعه ابتدایی dl از یک نابجایی مختلط با برگر برگر b در جهت dz حرکت کند. حجم ساخته شده بر روی این سه بردار:

dV = (dz×dl) b، (1.8)

معادل حجم موادی است که در کریستال در حال حرکت است. اگر V=0 باشد، حرکت نابجایی با انتقال جرم یا تغییر در حجم کریستال همراه نیست. این یک حرکت محافظه کارانه یا کشویی است. برای نابجایی های لبه و مختلط که برگر برگر b موازی با خط نابجایی dl نیست، لغزش در صفحه تعریف شده توسط بردارهای b و dl رخ می دهد: اگر dz در همان صفحه قرار داشته باشد، عبارت (1.8) برابر با صفر است. بردارهای b و dl. بدیهی است که صفحه لغزش یک یال یا نابجایی مختلط صفحه ای است که نابجایی و بردار برگر آن در آن قرار دارد. دررفتگی لبه در صفحه لغزش خود بسیار متحرک است. حرکت یک دررفتگی لبه را می توان به عنوان یک حرکت تدریجی متوالی اتم های مجاور در تمام طول خط نابجایی، همراه با توزیع مجدد پیوندها بین این اتم ها نشان داد. پس از هر رویداد، نابجایی یک فاصله بین اتمی حرکت می کند. در این حالت تنش ناشی از حرکت نابجایی ها به میزان قابل توجهی کمتر از تنش برشی ماده است. در نتیجه چنین حرکتی، دررفتگی می تواند به سطح کریستال برسد و ناپدید شود. بنابراین، نواحی کریستال که توسط صفحه لغزش جدا شده اند، پس از رها شدن نابجایی، با یک فاصله بین اتمی جابجا خواهند شد (شکل 8).

وزارت آموزش و پرورش فدراسیون روسیه

دانشگاه فنی دولتی اوریول

گروه فیزیک

خلاصه

با موضوع: "اثر گان و استفاده از آن در دیودهایی که در حالت ژنراتور کار می کنند."

رشته: "مبانی فیزیکی میکروالکترونیک"

تکمیل شده توسط دانشجوی گروه 3-4 سناتور D.G.

سرپرست:

عقاب. 2000

افکت Gunn و استفاده از آن در دیودهایی که در حالت ژنراتور کار می کنند.

برای تقویت و تولید نوسانات مایکروویو، می توان از وابستگی غیرعادی سرعت الکترون به شدت میدان الکتریکی در برخی از ترکیبات نیمه هادی، عمدتاً در آرسنید گالیم استفاده کرد. در این مورد، نقش اصلی را فرآیندهایی ایفا می کنند که در بخش عمده نیمه هادی اتفاق می افتد، و نه در پ - n-انتقال تولید نوسانات مایکروویو در نمونه های GaAs همگن n-نوع در شدت میدان الکتریکی ثابت بالاتر از مقدار آستانه اولین بار توسط J. Gunn در سال 1963 مشاهده شد (بنابراین، چنین دستگاه هایی را دیودهای Gunn می نامند). در ادبیات روسی به آنها نیز گفته می شود دستگاه هایی با ناپایداری حجمییا با انتقال الکترون بین دره،از آنجایی که خواص فعال دیودها با انتقال الکترون ها از دره انرژی "مرکزی" به سمت "سمت" تعیین می شود، جایی که آنها با جرم موثر بزرگ و تحرک کم مشخص می شوند. در ادبیات خارجی، نام خانوادگی با اصطلاح TED مطابقت دارد ( دستگاه الکترون منتقل شده).

در یک میدان ضعیف، تحرک الکترون زیاد است و به 6000-8500 سانتی متر مربع /(Vs) می رسد. هنگامی که قدرت میدان بالاتر از 3.5 کیلو ولت بر سانتی متر است، به دلیل انتقال برخی از الکترون ها به دره "جانبی"، سرعت متوسط ​​رانش الکترون ها با افزایش میدان کاهش می یابد. بالاترین مقدار مدول تحرک دیفرانسیل در بخش سقوط تقریباً سه برابر کمتر از تحرک در میدان های ضعیف است. در شدت میدان بالاتر از 15-20 کیلوولت بر سانتی متر، سرعت متوسط ​​الکترون تقریباً مستقل از میدان است و حدود 107 سانتی متر بر ثانیه است، بنابراین نسبت و مشخصه میدان سرعت را می توان تقریباً همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است تقریب زد. زمان ایجاد رسانایی دیفرانسیل منفی (NDC) مجموع زمان گرمایش گاز الکترونی در دره "مرکزی" (~ 10-12 ثانیه برای GaAs) است که توسط ثابت زمان آرامش انرژی و زمان انتقال بین دره تعیین می شود. ~5-10-14 ثانیه).

می توان انتظار داشت که وجود یک بخش در حال سقوط از مشخصه در ناحیه NDC با توزیع یکنواخت میدان الکتریکی در امتداد یک نمونه GaAs دوپ شده یکنواخت منجر به ظاهر شدن یک بخش سقوط در مشخصه جریان-ولتاژ دیود شود. از آنجایی که مقدار جریان همرفتی از طریق دیود به صورت , که در آن ; - سطح مقطع؛ - طول نمونه بین کنتاکت ها. در این بخش، دیود دارای رسانایی فعال منفی است و می تواند برای تولید و تقویت نوسانات مشابه دیود تونلی استفاده شود. با این حال، در عمل، اجرای چنین رژیمی در نمونه ای از مواد نیمه هادی با NDC به دلیل ناپایداری میدان و بار فضایی دشوار است. همانطور که در § 8.1 نشان داده شد، نوسان بار فضا در این مورد منجر به افزایش بار فضا طبق قانون می شود.

,

ثابت آرامش دی الکتریک کجاست. – تمرکز الکترون ها در اصل n-GaAs در یک نمونه همگن که ولتاژ ثابتی به آن اعمال می شود ، افزایش موضعی در غلظت الکترون منجر به ظاهر شدن یک لایه با بار منفی می شود (شکل 2) که در امتداد نمونه از کاتد به آند حرکت می کند.

عکس. 1. وابستگی تقریبی سرعت رانش الکترون به قدرت میدان الکتریکی برای GaAs

شکل 2. برای توضیح فرآیند تشکیل یک لایه تجمعی در GaAs دوپ شده یکنواخت.

منظور ما از کاتد تماسی با نمونه است که پتانسیل منفی به آن اعمال می شود. میدان‌های الکتریکی داخلی که در این حالت ایجاد می‌شوند بر روی یک میدان ثابت قرار می‌گیرند و قدرت میدان را در سمت راست لایه افزایش می‌دهند و آن را به سمت چپ کاهش می‌دهند (شکل 2، a). سرعت الکترون ها در سمت راست لایه کاهش می یابد و به سمت چپ افزایش می یابد. این منجر به رشد بیشتر لایه تجمع متحرک و توزیع مجدد میدان در نمونه می شود (شکل 2، ب). به طور معمول، یک لایه بار فضایی در کاتد هسته می گیرد، زیرا در نزدیکی تماس اهمی کاتد، ناحیه ای با غلظت الکترون افزایش یافته و قدرت میدان الکتریکی کم وجود دارد. نوساناتی که در نزدیکی تماس آند به دلیل حرکت الکترون ها به سمت آند رخ می دهد، زمان ایجاد نمی کند.

با این حال، چنین توزیع میدان الکتریکی ناپایدار است و اگر در نمونه ناهمگنی به شکل جهش غلظت، تحرک یا دما وجود داشته باشد، می تواند به اصطلاح تبدیل شود. دامنه میدان قویقدرت میدان الکتریکی با معادله پواسون به غلظت الکترون مربوط می شود که برای حالت یک بعدی به شکل

(1)

افزایش میدان الکتریکی در بخشی از نمونه با ظاهر شدن یک بار فضایی در مرزهای این ناحیه، منفی در سمت کاتد و مثبت در سمت آند همراه خواهد بود (شکل 3، a). در این حالت، سرعت الکترون ها در داخل منطقه مطابق با شکل 1 کاهش می یابد. الکترون‌های سمت کاتد با الکترون‌های داخل این ناحیه برخورد می‌کنند، به همین دلیل بار منفی افزایش می‌یابد و یک لایه غنی از الکترون تشکیل می‌شود. الکترون ها از سمت آند به سمت جلو حرکت می کنند، به همین دلیل بار مثبت افزایش می یابد و یک لایه تخلیه شده تشکیل می شود که در آن. این منجر به افزایش بیشتر میدان در ناحیه نوسان با حرکت بار به سمت آند و افزایش وسعت ناحیه دوقطبی بار فضایی می شود. اگر ولتاژ اعمال شده به دیود ثابت بماند، با افزایش دامنه دوقطبی، میدان خارج از آن کاهش می یابد (شکل 3، ب). افزایش میدان در حوزه زمانی متوقف می شود که سرعت آن برابر با سرعت الکترون های خارج از حوزه شود. بدیهی است که . شدت میدان الکتریکی در خارج از حوزه (شکل 3، ج) کمتر از حد آستانه خواهد بود، که انتقال بین دره‌ای الکترون‌ها به خارج از حوزه و تشکیل حوزه دیگری را تا ناپدید شدن الکترون‌هایی که قبلاً در دامنه تشکیل شده غیرممکن می‌سازد. آند پس از تشکیل یک دامنه میدان بالا پایدار، جریان عبوری از دیود در طول حرکت خود از کاتد به آند ثابت می ماند.

شکل 3. برای توضیح فرآیند تشکیل دامنه دوقطبی.

پس از ناپدید شدن دامنه در آند، قدرت میدان در نمونه افزایش می‌یابد و زمانی که به مقدار رسید، تشکیل یک دامنه جدید آغاز می‌شود. در این حالت، جریان به حداکثر مقدار برابر با (شکل 4، ج) می رسد.

(2)

این حالت کار دیود گان نامیده می شود حالت پرواز.در حالت انتقال، جریان عبوری از دیود شامل پالس هایی است که با یک نقطه همراه هستند . دیود نوسانات مایکروویو با فرکانس پرواز ایجاد می کند ، عمدتاً توسط طول نمونه تعیین می شود و به میزان ضعیفی به بار بستگی دارد (دقیقاً این نوسانات بود که گان هنگام مطالعه نمونه هایی از GaAs و InP مشاهده کرد).

فرآیندهای الکترونیکی در یک دیود گان باید با در نظر گرفتن معادلات پواسون، تداوم و چگالی جریان کل در نظر گرفته شود که برای حالت یک بعدی به شکل زیر است:

; (3)

. (4)

شکل 4. مدار معادل یک ژنراتور دیود گان (a) و وابستگی‌های زمانی ولتاژ (b) و جریان از طریق دیود گان در حالت انتقال (c) و در حالت‌های با تاخیر (d) و میرایی دامنه (e).

ولتاژ لحظه ای در سراسر دیود. جریان کل به مختصات بستگی ندارد و تابع زمان است. ضریب انتشار اغلب مستقل از میدان الکتریکی در نظر گرفته می شود.

بسته به پارامترهای دیود (درجه و مشخصات دوپینگ ماده، طول و سطح مقطع نمونه و دمای آن)، و همچنین به ولتاژ تغذیه و خواص بار، دیود Gunn، به عنوان یک مولد و تقویت کننده مایکروویو، می تواند در حالت های مختلف کار کند: دامنه، محدود کردن تجمع بار فضایی (ONZ، در ادبیات خارجی LSA - LSA - Limited Space Charge Acumulation)، هیبریدی، امواج متحرک بار فضایی، رسانایی منفی.

حالت های عملکرد دامنه

حالت های دامنه عملکرد یک دیود Gunn با حضور یک دامنه دوقطبی تشکیل شده در نمونه در طول بخش قابل توجهی از دوره نوسان مشخص می شود. ویژگی های یک دامنه دوقطبی ساکن به طور مفصل در [?] مورد بحث قرار گرفته است، جایی که نشان داده شده است که از (1)، (3) و (4) نتیجه می شود که سرعت دامنه و حداکثر قدرت میدان در آن با هم مرتبط هستند. قانون مساحت مساوی

. (5)

مطابق با (5)، مناطق سایه دار در شکل 5، a و محدود شده توسط خطوط یکسان است. همانطور که از شکل مشاهده می شود، حداکثر قدرت میدان در حوزه به طور قابل توجهی از میدان خارج از دامنه فراتر رفته و می تواند به ده ها کیلوولت بر سانتی متر برسد.

شکل 5. برای تعیین پارامترهای حوزه دوقطبی.

شکل 5، b وابستگی ولتاژ دامنه را نشان می دهد در قدرت میدان الکتریکی در خارج از آن، که در آن طول دامنه است (شکل 3، ج). در آنجا یک "خط ابزار" از یک دیود با طول در یک ولتاژ مشخص ساخته شد، با در نظر گرفتن این واقعیت که کل ولتاژ در سراسر دیود است. نقطه تقاطع آولتاژ دامنه و شدت میدان خارج از آن را تعیین می کند. باید در نظر داشت که دامنه در ولتاژ ثابت رخ می دهد با این حال، هنگامی که در طول حرکت دامنه به سمت آند، ولتاژ روی دیود به مقدار کاهش می یابد، می تواند وجود داشته باشد (خط نقطه چین در شکل 5، b). اگر ولتاژ روی دیود بیشتر کاهش یابد به طوری که از ولتاژ خاموش شدن دامنه کمتر شود، دامنه حاصل برطرف می شود. ولتاژ میرایی مربوط به لحظه ای است که "خط مستقیم ابزار" خط را در شکل 5، b لمس می کند.

بنابراین، ولتاژ ناپدید شدن دامنه کمتر از ولتاژ آستانه تشکیل دامنه است. همانطور که از شکل 5 مشاهده می شود، به دلیل وابستگی شدید ولتاژ اضافی به دامنه به شدت میدان خارج از دامنه، میدان خارج از دامنه و سرعت دامنه زمانی که ولتاژ روی دیود تغییر می کند کمی تغییر می کند. ولتاژ اضافی عمدتاً در دامنه جذب می شود. در حال حاضر در سرعت دامنه فقط کمی با سرعت اشباع متفاوت است و تقریباً می توان آن را در نظر گرفت، و بنابراین، فرکانس پرواز، به عنوان مشخصه یک دیود، معمولاً با عبارت:

(6)

طول دامنه به غلظت ناخالصی دهنده و همچنین به ولتاژ روی دیود بستگی دارد و 5-10 میکرومتر است. کاهش غلظت ناخالصی به دلیل افزایش لایه تخلیه منجر به گسترش دامنه می شود. تشکیل یک دامنه در یک زمان محدود رخ می دهد و با ایجاد رسانایی دیفرانسیل منفی و افزایش بار فضایی همراه است. ثابت زمانی برای افزایش بار فضایی در حالت اغتشاش کوچک برابر با ثابت آرامش دی الکتریک است و توسط تحرک دیفرانسیل منفی و غلظت الکترون تعیین می شود. در حداکثر مقدار، در حالی که زمان استقرار ODP کمتر است. بنابراین، زمان تشکیل دامنه تا حد زیادی توسط فرآیند توزیع مجدد بار فضایی تعیین می شود. این بستگی به ناهمگنی میدان اولیه، سطح دوپینگ و ولتاژ اعمال شده دارد.

شکل 6. دیود گان.

تقریباً اعتقاد بر این است که دامنه در زمان زیر زمان تشکیل کامل خواهد داشت:

که در آن بیان شده است. تنها در صورتی منطقی است که در مورد حالت های دامنه صحبت کنیم که دامنه زمان تشکیل در طول پرواز الکترون ها در نمونه را داشته باشد. از این رو شرط وجود حوزه دوقطبی هر دو است .

حاصل ضرب غلظت الکترون و طول نمونه نامیده می شود بحرانیو دلالت کنند . این مقدار مرز بین حالت‌های دامنه دیود Gunn و حالت‌هایی با توزیع میدان الکتریکی پایدار در یک نمونه دوپ شده یکنواخت است. هنگامی که یک دامنه میدان قوی تشکیل نمی شود، نمونه فراخوانی می شود پایدار.حالت های دامنه مختلف امکان پذیر است. معیار نوع، به طور دقیق، فقط برای سازه هایی معتبر است که در آنها طول لایه فعال بین کاتد و آند بسیار کمتر از ابعاد عرضی است: (شکل 6، a)، که مربوط به یک مشکل یک بعدی است. و برای ساختارهای مسطح و مسطح معمول است. ساختارهای لایه نازک (شکل 6، ب) دارای یک لایه فعال همپایه از GaAs هستند 1 طول را می توان بین یک بستر با مقاومت بالا قرار داد 3 و فیلم دی الکتریک عایق 2 برای مثال از SiO 2 ساخته شده است. کنتاکت های آند و کاتد اهمی با استفاده از روش های فوتولیتوگرافی ساخته می شوند. اندازه عرضی دیود را می توان با طول آن مقایسه کرد. در این حالت، بارهای فضایی تشکیل شده در طول تشکیل دامنه، میدان های الکتریکی داخلی ایجاد می کنند که نه تنها یک جزء طولی، بلکه یک جزء عرضی نیز دارند (شکل 6، ج). این منجر به کاهش میدان در مقایسه با یک مشکل یک بعدی می شود. هنگامی که ضخامت لایه فعال کوچک است، زمانی که، معیار عدم وجود ناپایداری دامنه با شرط جایگزین می شود. برای چنین سازه هایی، با توزیع پایدار میدان الکتریکی، می تواند بیشتر باشد.

زمان تشکیل دامنه نباید از نیم چرخه نوسانات مایکروویو تجاوز کند. بنابراین شرط دومی برای وجود دامنه متحرک وجود دارد که با در نظر گرفتن (1) از آن به دست می آوریم .

بسته به نسبت زمان پرواز و دوره نوسانات مایکروویو و همچنین مقادیر ولتاژ ثابت و دامنه ولتاژ فرکانس بالا، حالت های دامنه زیر قابل تشخیص است: پرواز از- پرواز، حالت با تاخیر دامنه، حالت با سرکوب (کوئنچ) دامنه. اجازه دهید فرآیندهایی را که در این حالت‌ها اتفاق می‌افتد در مورد دیود Gunn در نظر بگیریم که بر روی یک بار به شکل یک مدار نوسانی موازی با مقاومت فعال در فرکانس تشدید کار می‌کند و دیود توسط یک ژنراتور ولتاژ با مقاومت داخلی کم تغذیه می‌شود (نگاه کنید به شکل 4a). در این حالت ولتاژ روی دیود طبق قانون سینوسی تغییر می کند. امکان تولید در .

در مقاومت بار کم، چه زمانی، کجا - مقاومت دیود گان در میدان های ضعیف، دامنه ولتاژ فرکانس بالا کم است و ولتاژ لحظه ای روی دیود از مقدار آستانه فراتر می رود (شکل 4b، منحنی 1 را ببینید). در اینجا، حالت عبوری که قبلاً در نظر گرفته شده بود، زمانی رخ می‌دهد که پس از تشکیل دامنه، جریان عبوری از دیود ثابت و برابر باقی می‌ماند (شکل 9.39، ج را ببینید). هنگامی که دامنه ناپدید می شود، جریان به افزایش می یابد. برای GaAs. فرکانس نوسانات در حالت پرواز برابر است با . از آنجایی که نسبت کوچک است، کارایی تعداد ژنراتورهای دیود Gunn که در حالت ترانزیت کار می کنند کم است و این حالت معمولاً کاربرد عملی ندارد.

هنگامی که دیود در مداری با مقاومت بالا کار می کند، دامنه ولتاژ متناوب می تواند بسیار زیاد باشد، به طوری که در بخشی از دوره، ولتاژ لحظه ای روی دیود کمتر از آستانه می شود (مطابق با منحنی 2 در شکل 4b). در این مورد صحبت می کنند حالت با تاخیر در تشکیل دامنه.زمانی که ولتاژ روی دیود از آستانه فراتر رود، یعنی در یک لحظه از زمان، یک دامنه تشکیل می شود (شکل 4، d را ببینید). پس از تشکیل دامنه، جریان دیود کاهش می یابد و در طول زمان پرواز دامنه به همین شکل باقی می ماند. هنگامی که دامنه در یک لحظه از زمان روی آند ناپدید می شود، ولتاژ روی دیود کمتر از آستانه است و دیود نشان دهنده یک مقاومت فعال است. تغییر جریان متناسب با ولتاژ دو طرف دیود تا لحظه ای است که جریان به حداکثر مقدار خود می رسد و ولتاژ دو طرف دیود برابر با آستانه است. تشکیل یک دامنه جدید شروع می شود و کل فرآیند تکرار می شود. مدت زمان پالس فعلی برابر است با زمان تاخیر تشکیل یک دامنه جدید. زمان تشکیل دامنه در مقایسه با و کوچک در نظر گرفته می شود. بدیهی است که چنین حالتی در صورتی امکان پذیر است که زمان پرواز در محدوده و فرکانس نوسانات ایجاد شده باشد. .

با دامنه حتی بیشتر از ولتاژ فرکانس بالا مربوط به منحنی 3 در شکل 4b، حداقل ولتاژ روی دیود ممکن است کمتر از ولتاژ خاموش کننده دیود باشد. حالت با سرکوب دامنه(نگاه کنید به شکل 4، د). یک دامنه در نقطه ای از زمان تشکیل می شود و در نقطه ای از زمان که یک دامنه جدید پس از فراتر رفتن ولتاژ از مقدار آستانه شروع به تشکیل می کند، حل می شود. از آنجایی که ناپدید شدن یک دامنه با رسیدن آن به آند همراه نیست، زمان پرواز الکترون ها بین کاتد و آند در حالت خاموش شدن دامنه می تواند از دوره نوسان بیشتر شود: . بنابراین، در حالت میرایی. حد بالایی فرکانس های تولید شده با شرایط محدود می شود و می تواند باشد.

بهره وری الکترونیکی ژنراتورهای مبتنی بر دیودهای Gunn که در حالت‌های دامنه کار می‌کنند را می‌توان با گسترش تابع جریان به سری فوریه (نگاه کنید به شکل 4) برای یافتن دامنه اولین هارمونیک و جزء جریان مستقیم تعیین کرد. ارزش کارایی بستگی به روابط , , , و در مقدار بهینه دارد برای دیودهای GaAs در حالت تاخیر دامنه از 6٪ تجاوز نمی کند. بهره وری الکترونیکی در حالت خاموش کردن دامنه کمتر از حالت تاخیر دامنه است.

حالت ONOZ.

کمی بعد، حالت های دامنه برای دیودهای Gunn پیشنهاد و اجرا شد حالت محدود کردن تجمع بار فضاییدر ولتاژهای ثابت روی دیود، چندین برابر بیشتر از مقدار آستانه، و دامنه های ولتاژ بزرگ در فرکانس های چندین برابر بیشتر از فرکانس پرواز وجود دارد. برای اجرای حالت ONOS، دیودهایی با مشخصات دوپینگ بسیار یکنواخت مورد نیاز است. توزیع یکنواخت میدان الکتریکی و غلظت الکترون در طول نمونه توسط نرخ بالای تغییر ولتاژ در سراسر دیود تضمین می شود. اگر دوره زمانی که در طی آن شدت میدان الکتریکی از ناحیه مشخصه NDC می گذرد بسیار کمتر از زمان تشکیل دامنه باشد، پس توزیع مجدد میدان و بار فضایی در طول دیود مشاهده نمی شود. سرعت الکترون ها در سراسر نمونه از تغییر میدان الکتریکی پیروی می کند و جریان عبوری از دیود با وابستگی سرعت به میدان تعیین می شود (شکل 7).

بنابراین در حالت ONOS از رسانایی منفی دیود برای تبدیل انرژی منبع تغذیه به انرژی نوسانات مایکروویو استفاده می شود. در این حالت، در بخشی از دوره نوسان، ولتاژ روی دیود کمتر از آستانه باقی می‌ماند و نمونه در حالتی است که با تحرک الکترون مثبت مشخص می‌شود، یعنی بار فضایی که در طول زمانی که الکتریسیته تشکیل می‌شود. میدان در دیود بالاتر از آستانه بود، حل می شود.

ما تقریباً شرط افزایش ضعیف شارژ در طول زمان را در فرم می نویسیم ، جایی که ; مقدار متوسط ​​تحرک الکترون دیفرانسیل منفی در منطقه است. جذب بار فضایی در زمان، اگر و کجا موثر خواهد بود ; و - ثابت زمان آرامش دی الکتریک و تحرک الکترون در میدان ضعیف.

با احتساب , ، ما داریم . این نابرابری محدوده مقادیری را تعیین می کند که در آن حالت ONZ اجرا می شود.

راندمان الکترونیکی یک ژنراتور دیود Gunn در حالت ONOS را می توان از شکل فعلی محاسبه کرد (شکل 7). در حداکثر راندمان 17٪ است.

شکل 7. وابستگی زمانی جریان به دیود Gunn در حالت ONOS.

در حالت های دامنه، فرکانس نوسانات ایجاد شده تقریباً برابر با فرکانس پرواز است. بنابراین، طول دیودهای Gunn که در حالت‌های دامنه کار می‌کنند به محدوده فرکانس کاری توسط عبارت مرتبط است

که در آن بر حسب گیگاهرتز و - بر حسب میکرون بیان می شود. در حالت ONOS، طول دیود به فرکانس کاری بستگی ندارد و می تواند چندین برابر بیشتر از طول دیودهایی باشد که در همان فرکانس ها در حالت های دامنه کار می کنند. این به شما امکان می دهد تا قدرت ژنراتورها را در حالت ONO در مقایسه با ژنراتورهایی که در حالت های دامنه کار می کنند افزایش دهید.

فرآیندهای در نظر گرفته شده در یک دیود Gunn در حالت های دامنه اساساً ایده آل هستند، زیرا آنها در فرکانس های نسبتا پایین (1-3 گیگاهرتز) تحقق می یابند، که در آن دوره نوسان به طور قابل توجهی کمتر از زمان تشکیل دامنه است، و طول دیود بسیار بیشتر از طول دامنه در سطوح دوپینگ معمولی . اغلب، دیودهای موج پیوسته Gunn در فرکانس‌های بالاتر در حالت‌های به اصطلاح ترکیبی استفاده می‌شوند. حالت های ترکیبیعملکرد دیودهای Gunn بین حالت های ONOS و دامنه متوسط ​​است. برای حالت های ترکیبی معمول است که تشکیل یک دامنه بیشتر دوره نوسان را به خود اختصاص می دهد. یک دامنه ناقص تشکیل شده زمانی حل می شود که ولتاژ لحظه ای در دیود به مقادیر زیر آستانه کاهش یابد. قدرت میدان الکتریکی خارج از ناحیه افزایش بار فضایی معمولاً بیشتر از آستانه باقی می ماند. فرآیندهای رخ داده در دیود در حالت ترکیبی با استفاده از یک کامپیوتر با استفاده از معادلات (1)، (3) و (4) تجزیه و تحلیل می‌شوند. حالت های ترکیبی طیف وسیعی از مقادیر را اشغال می کنند و به اندازه حالت ONOZ به پارامترهای مدار حساس نیستند.

حالت ONOS و حالت های عملکرد ترکیبی دیود Gunn به عنوان حالت های خود تحریکی "سخت" طبقه بندی می شوند که با وابستگی هدایت الکترونیکی منفی به دامنه ولتاژ فرکانس بالا مشخص می شوند. قرار دادن ژنراتور در حالت هیبریدی (و همچنین در حالت ONOZ) یک کار پیچیده است و معمولاً با انتقال متوالی دیود از حالت انتقال به حالت هیبریدی انجام می شود.

شکل 8. راندمان الکترونیکی ژنراتورهای دیود GaAs Gunn برای حالت های مختلف عملکرد:

1-با تاخیر تشکیل دامنه

2- با سرکوب دامنه

شکل 9. وابستگی زمانی ولتاژ (a) و جریان (b) یک دیود Gunn در حالت بازده بالا.

3-هیبریدی

طراحی و پارامترهای ژنراتور بر اساس دیودهای Gunn.

شکل 8 مقادیر حداکثر بازده الکترونیکی را نشان می دهد. دیود GaAs Gunn در حالت های مختلف عملیاتی. مشاهده می شود که مقادیر از 20٪ تجاوز نمی کند. افزایش کارایی ژنراتورهای مبتنی بر دیودهای Gunn از طریق استفاده از سیستم‌های نوسانی پیچیده‌تر امکان‌پذیر است، که این امکان را فراهم می‌کند که وابستگی زمانی جریان و ولتاژ به دیود نشان داده شده در شکل 9 ارائه شود. بسط توابع و در سری فوریه در و مقادیر بازده الکترونیکی را برای دیودهای GaAs Gunn 25 درصد می دهد. تقریب نسبتاً خوبی برای منحنی بهینه با استفاده از هارمونیک ولتاژ دوم بدست می آید. راه دیگری برای افزایش کارایی شامل استفاده از مواد با نسبت بالا در دیودهای Gunn است. بنابراین، برای فسفید ایندیم به 3.5 می رسد، که بازده الکترونیکی نظری دیودها را به 40٪ افزایش می دهد.

باید در نظر داشت که کارایی الکترونیکی ژنراتورهای مبتنی بر دیودهای Gunn در فرکانس های بالا کاهش می یابد، زمانی که دوره نوسان متناسب با زمان استقرار NDC می شود (این خود را قبلاً در فرکانس های ~30 گیگاهرتز نشان می دهد). اینرسی فرآیندهایی که وابستگی میانگین سرعت رانش الکترون ها را به میدان تعیین می کنند منجر به کاهش مولفه آنتی فاز جریان دیود می شود. فرکانس های محدود کننده دیودهای Gunn مرتبط با این پدیده در حدود 100 گیگاهرتز برای دستگاه های GaAs و 150 تا 300 گیگاهرتز برای دستگاه های InP تخمین زده می شود.

قدرت خروجی دیودهای Gunn توسط فرآیندهای الکتریکی و حرارتی محدود می شود. تأثیر دومی منجر به وابستگی حداکثر توان به فرکانس در شکل می شود که در آن ثابت با گرمای بیش از حد مجاز سازه، ویژگی های حرارتی مواد و راندمان الکترونیکی تعیین می شود. و ظرفیت دیود محدودیت های حالت الکتریکی به این دلیل است که در توان خروجی بالا دامنه نوسانات متناسب با ولتاژ ثابت روی دیود است: .

در حالت های دامنه بنابراین مطابق با ما داریم:

,

که در آن مقاومت بار معادل است که دوباره به پایانه های دیود محاسبه می شود و برابر با ماژول مقاومت منفی فعال LPD است.

حداکثر قدرت میدان الکتریکی در حوزه به طور قابل توجهی از مقدار میدان متوسط ​​در دیود فراتر می رود، در عین حال باید کمتر از قدرت شکستی باشد که در آن شکست بهمنی مواد رخ می دهد (برای GaAs ). معمولاً مقدار مجاز میدان الکتریکی در نظر گرفته می شود.

همانند LPD ها، در فرکانس های نسبتاً پایین (در محدوده طول موج سانتی متر)، حداکثر توان خروجی دیودهای Gunn توسط اثرات حرارتی تعیین می شود. در محدوده میلی متری، ضخامت ناحیه فعال دیودهایی که در حالت های دامنه کار می کنند کوچک می شود و محدودیت های الکتریکی حاکم می شود. در حالت پیوسته در محدوده سه سانتی متری، توان 1-2 وات را می توان از یک دیود با بازده حداکثر 14٪ بدست آورد. در فرکانس های 60-100 گیگاهرتز - تا 100 WW با بازده چند درصد. ژنراتورهای دیود Gunn با نویز فرکانس قابل توجهی کمتر از ژنراتورهای LPD مشخص می شوند.

حالت ONOZ با توزیع بسیار یکنواخت میدان الکتریکی مشخص می شود. علاوه بر این، طول دیودی که در این حالت کار می کند می تواند قابل توجه باشد. بنابراین، دامنه ولتاژ مایکروویو روی دیود در حالت ONOS می تواند 1-2 مرتبه بزرگتر از ولتاژ در حالت های دامنه باشد. بنابراین، توان خروجی دیودهای Gunn در حالت ONOS را می توان در مقایسه با حالت های دامنه چندین مرتبه افزایش داد. برای حالت ONOZ، محدودیت های حرارتی به چشم می خورد. دیودهای Gunn در حالت ONOS اغلب در حالت پالسی با چرخه کاری بالا کار می کنند و تا چندین کیلووات در محدوده طول موج سانتی متری برق تولید می کنند.

فرکانس ژنراتورهای مبتنی بر دیودهای Gunn عمدتاً توسط فرکانس تشدید سیستم نوسانی با در نظر گرفتن رسانایی خازنی دیود تعیین می شود و می توان در محدوده وسیعی با روش های مکانیکی و الکتریکی تنظیم کرد.

در یک مولد موجبر(شکل 10، الف) دیود گان 1 بین دیوارهای پهن یک موجبر مستطیلی در انتهای یک میله فلزی نصب شده است. ولتاژ بایاس از طریق ورودی سلف تامین می شود 2 که به صورت مقاطعی از خطوط کواکسیال ربع موج ساخته می شود و برای جلوگیری از نفوذ نوسانات مایکروویو به مدار منبع تغذیه عمل می کند. تشدید کننده کم Q توسط عناصر نصب کننده دیود در موجبر تشکیل می شود. فرکانس ژنراتور با استفاده از دیود وارکتور تنظیم می شود 3 ، در فاصله نیم طول موج قرار گرفته و مشابه دیود Gunn در موجبر نصب شده است. اغلب دیودها در یک موجبر با ارتفاع کاهش یافته قرار می گیرند که توسط یک ترانسفورماتور موج چهارم به یک موجبر خروجی مقطع استاندارد متصل می شود.

شکل 10. طراحی ژنراتور بر اساس دیودهای Gunn:

a-waveguide; b-microstrip; c-با تنظیم فرکانس توسط کره YIG

در طراحی میکرواستریپ(شکل 10، ب) دیود 1 بین پایه و هادی نوار متصل می شود. یک تشدید کننده دی الکتریک با کیفیت بالا برای تثبیت فرکانس استفاده می شود 4 به شکل یک دیسک ساخته شده از یک دی الکتریک با تلفات کم و مقدار زیاد (به عنوان مثال، تیتانات باریم)، ​​که در نزدیکی یک نوار نوار MPL با عرض قرار دارد. خازن 5 برای جدا کردن مدارهای قدرت و مسیر مایکروویو عمل می کند. ولتاژ تغذیه از طریق مدار سلف تامین می شود 2 ، متشکل از دو بخش موج چهارم MPL با امپدانس های موج متفاوت و خط با مقاومت کم باز است. استفاده از تشدید کننده های دی الکتریک با ضریب دمایی فرکانس مثبت، ایجاد نوسانگرهایی با جابجایی فرکانس های کوچک در هنگام تغییر دما (~40 کیلوهرتز / درجه سانتی گراد) را ممکن می سازد.

ژنراتورهای قابل تنظیم فرکانسروی دیودهای گان را می توان با استفاده از تک بلورهای گارنت آهن ایتریوم ساخت (شکل 10، ج). فرکانس ژنراتور در این مورد به دلیل تنظیم فرکانس تشدید یک تشدید کننده با کیفیت بالا، که به شکل یک کره YIG با قطر کوچک است، در هنگام تغییر میدان مغناطیسی تغییر می کند. حداکثر تنظیم در دیودهای بسته بندی نشده که حداقل پارامترهای واکنشی دارند به دست می آید. مدار دیود فرکانس بالا شامل یک چرخش کوتاه است که کره YIG را در بر می گیرد 6 . اتصال مدار دیود با مدار بار به دلیل اندوکتانس متقابل ارائه شده توسط کره YIG و پیچ های کوپلینگ متعامد انجام می شود. محدوده تنظیم الکتریکی چنین ژنراتورهایی که به طور گسترده در دستگاه های اندازه گیری خودکار استفاده می شود، به یک اکتاو با توان خروجی 10-20 میلی وات می رسد.

تقویت کننده های مبتنی بر دیودهای Gunn.

توسعه تقویت‌کننده‌های مبتنی بر دیودهای Gunn، به ویژه برای محدوده طول موج میلی‌متری، که در آن استفاده از ترانزیستورهای مایکروویو محدود است، بسیار مورد توجه است. یک وظیفه مهم هنگام ایجاد تقویت کننده ها بر اساس دیودهای Gunn، اطمینان از پایداری عملکرد آنها (تثبیت دیود) و مهمتر از همه، سرکوب نوسانات نوع دامنه سیگنال کوچک است. این را می توان با محدود کردن پارامتر دیود، بارگذاری دیود با یک مدار خارجی، انتخاب پروفایل دوپینگ دیود، کاهش سطح مقطع یا اعمال یک فیلم دی الکتریک روی نمونه به دست آورد. به عنوان تقویت کننده، از هر دو دیود مسطح و میان ساختار استفاده می شود که دارای رسانایی منفی در ولتاژهای بالاتر از آستانه در یک محدوده فرکانس وسیع در نزدیکی فرکانس پرواز هستند و به عنوان تقویت کننده های بازتابی احیا کننده با یک سیرکولاتور در ورودی، و همچنین ساختارهای فیلم پیچیده تر استفاده می شوند. که از پدیده بار فضایی رشد موج در ماده ای با NDP استفاده می کنند که اغلب نامیده می شود تقویت کننده های موج سفر فیلم نازک(UBV).

در دیودهای دوپ شده زیر بحرانی در تشکیل یک دامنه در حال اجرا حتی در ولتاژهای بیش از آستانه غیرممکن است. همانطور که محاسبات نشان می دهد، دیودهای زیر بحرانی با مقاومت معادل منفی در فرکانس های نزدیک به فرکانس پرواز، در ولتاژهای بیش از آستانه مشخص می شوند. آنها را می توان در تقویت کننده های بازتابی استفاده کرد. با این حال، به دلیل دامنه دینامیکی و بهره پایین آنها، کاربرد محدودی دارند.

رسانایی منفی پایدار در یک محدوده فرکانس وسیع، که به 40٪ می رسد، در دیودهایی با در طول دیود کوتاه (~8-15 میکرومتر) و ولتاژ . در ولتاژهای پایین تر، تولید مشاهده می شود که شکست آن با افزایش ولتاژ را می توان با کاهش NDC ماده با افزایش دمای دستگاه توضیح داد.

توزیع یکنواخت میدان الکتریکی در طول دیود و بهره پایدار در یک باند فرکانس وسیع را می توان به دلیل دوپینگ غیریکنواخت نمونه به دست آورد (شکل 12، a). اگر در نزدیکی کاتد یک لایه باریک و کم دوپ شده به طول حدود 1 میکرومتر وجود داشته باشد، تزریق الکترون از کاتد را محدود می‌کند و منجر به افزایش شدید میدان الکتریکی می‌شود. افزایش غلظت ناخالصی در طول نمونه به سمت آند در محدوده از تا امکان دستیابی به یکنواختی میدان الکتریکی را فراهم می کند. فرآیندهای موجود در دیودهای با این مشخصات معمولاً در رایانه محاسبه می شوند.

شکل 12. مشخصات دوپینگ (a) و توزیع میدان (b) در یک دیود Gunn با ناحیه کاتدی با مقاومت بالا.

انواع تقویت کننده های در نظر گرفته شده با محدوده دینامیکی گسترده، بازده 2-3٪ و رقم نویز ~ 10 دسی بل در محدوده طول موج سانتی متر مشخص می شوند.

شکل 13. نمودار تقویت کننده موج سفر لایه نازک GaAs با رانش طولی

برای عملکرد تقویت کننده، لازم است از یکنواختی فیلم و یکنواختی میدان الکتریکی در طول دستگاه اطمینان حاصل شود. ولتاژ بایاس BW در ناحیه GaAs NDC قرار دارد، یعنی در . در این حالت، موج بار فضایی با حرکت در طول فیلم رشد می کند. توزیع پایدار و یکنواخت میدان الکتریکی در UWV با استفاده از فیلم‌هایی با ضخامت کم و پوشش دادن فیلم GaAs با دی الکتریک با مقدار زیاد به دست می‌آید.

استفاده از معادلات اساسی حرکت الکترون برای حالت یک بعدی (1)، (3)، (4) و حالت سیگنال کوچک، زمانی که اجزای ثابت جریان همرفت، قدرت میدان الکتریکی و چگالی بار بسیار بیشتر از دامنه مولفه های متغیر () منجر به معادله پراکندگی برای انتشار ثابت می شود که راه حلی به شکل دو موج دارد.

یکی از آنها موج مستقیمی است که در طول فیلم از کاتد به آند با سرعت فاز منتشر می شود و دامنه ای دارد که طبق قانون متفاوت است:

زمان حرکت الکترون ها از ورودی دستگاه کجاست. هنگام کار در منطقه ODP، موج مستقیم نیز افزایش می یابد. موج دوم معکوس است، از آند به کاتد منتشر می شود و دامنه آن به صورت . ضریب انتشار برای GaAs است بنابراین موج معکوس به سرعت از بین می رود. از (9) بهره دستگاه (dB) است.

(10)

برآورد با (10) در و افزایشی در حد 0.3-3 dB/μm می دهد. باید در نظر داشت که بیان (10) اساساً کیفی است. استفاده مستقیم از آن برای محاسبه امواج در حال رشد یک بار فضایی می تواند به دلیل تأثیر شدید شرایط مرزی برای ضخامت فیلم کوچک منجر به خطا شود، زیرا مشکل باید دو بعدی در نظر گرفته شود. انتشار الکترون نیز باید در نظر گرفته شود و محدوده فرکانسی که در آن تقویت امکان پذیر است را محدود می کند. محاسبات امکان به دست آوردن افزایش ~0.5-1 dB/μm در UWV در فرکانس های 10 گیگاهرتز یا بیشتر را تایید می کند. چنین دستگاه هایی همچنین می توانند به عنوان تغییر دهنده فاز کنترل شده و خطوط تاخیر مایکروویو استفاده شوند.

[L]. Berezin و همکاران دستگاه های الکترونیکی مایکروویو. – M. دبیرستان 1985.

وزارت آموزش و پرورش فدراسیون روسیه

دانشگاه فنی دولتی اوریول

گروه فیزیک چکیده

با موضوع: "اثر گان و استفاده از آن در دیودهایی که در حالت ژنراتور کار می کنند."

رشته: "مبانی فیزیکی میکروالکترونیک"

توسط دانش آموز گروه های 3-4 تکمیل شد
سناتوروف دی.جی.

سرپرست:

عقاب. 2000

افکت Gunn و استفاده از آن در دیودهایی که در حالت ژنراتور کار می کنند.

برای تقویت و تولید نوسانات مایکروویو، می توان از وابستگی غیرعادی سرعت الکترون به شدت میدان الکتریکی در برخی از ترکیبات نیمه هادی، عمدتاً در آرسنید گالیم استفاده کرد. در این مورد، نقش اصلی را فرآیندهایی ایفا می کنند که در بخش عمده نیمه هادی اتفاق می افتد، و نه در اتصال p-n. تولید نوسانات مایکروویو در نمونه های GaAs از نوع n همگن با شدت میدان الکتریکی ثابت بالاتر از یک مقدار آستانه برای اولین بار توسط J. Gunn در سال 1963 مشاهده شد (بنابراین، چنین دستگاه هایی را دیودهای Gunn می نامند). در ادبیات داخلی، آنها را دستگاه هایی با ناپایداری حجمی یا با انتقال الکترون بین دره نیز می نامند، زیرا خواص فعال دیودها با انتقال الکترون ها از دره انرژی "مرکزی" به سمت "سمت" تعیین می شود، جایی که مشخص می شود. یک جرم موثر بزرگ و تحرک کم. در ادبیات خارجی، نام اخیر با اصطلاح TED (دستگاه الکترونی انتقال یافته) مطابقت دارد.

در یک میدان ضعیف، تحرک الکترون زیاد است و به 6000-8500 سانتی متر مربع /(Vs) می رسد. هنگامی که قدرت میدان بالاتر از 3.5 کیلو ولت بر سانتی متر است، به دلیل انتقال برخی از الکترون ها به دره "جانبی"، سرعت متوسط ​​رانش الکترون ها با افزایش میدان کاهش می یابد. بالاترین مقدار مدول تحرک دیفرانسیل در بخش سقوط تقریباً سه برابر کمتر از تحرک در میدان های ضعیف است. در شدت میدان بالاتر از 15-20 کیلوولت بر سانتی متر، سرعت متوسط ​​الکترون تقریباً مستقل از میدان است و حدود 107 سانتی متر بر ثانیه است، بنابراین نسبت و مشخصه میدان سرعت را می توان تقریباً همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است تقریب زد. زمان ایجاد رسانایی دیفرانسیل منفی (NDC) مجموع زمان گرمایش گاز الکترونی در دره "مرکزی" (~ 10-12 ثانیه برای GaAs) است که توسط ثابت زمان آرامش انرژی و زمان انتقال بین دره تعیین می شود. ~5-10-14 ثانیه).

می توان انتظار داشت که وجود یک بخش در حال سقوط از مشخصه در ناحیه NDC با توزیع یکنواخت میدان الکتریکی در امتداد یک نمونه GaAs دوپ شده یکنواخت منجر به ظاهر شدن یک بخش سقوط در مشخصه جریان-ولتاژ دیود شود. از آنجایی که مقدار جریان همرفتی از طریق دیود به صورت , که در آن ; - سطح مقطع؛ - طول نمونه بین کنتاکت ها. در این بخش، دیود دارای رسانایی فعال منفی است و می تواند برای تولید و تقویت نوسانات مشابه دیود تونلی استفاده شود. با این حال، در عمل، اجرای چنین رژیمی در نمونه ای از مواد نیمه هادی با NDC به دلیل ناپایداری میدان و بار فضایی دشوار است. همانطور که در § 8.1 نشان داده شد، نوسان بار فضا در این مورد منجر به افزایش بار فضا طبق قانون می شود.

,

ثابت آرامش دی الکتریک کجاست. - غلظت الکترون در n-GaAs اصلی. در یک نمونه همگن که ولتاژ ثابتی به آن اعمال می شود ، افزایش موضعی در غلظت الکترون منجر به ظاهر شدن یک لایه با بار منفی می شود (شکل 2) که در امتداد نمونه از کاتد به آند حرکت می کند.

عکس. 1. وابستگی تقریبی سرعت رانش الکترون به قدرت میدان الکتریکی برای GaAs

شکل 2. برای توضیح فرآیند تشکیل یک لایه تجمعی در GaAs دوپ شده یکنواخت.

منظور ما از کاتد تماسی با نمونه است که پتانسیل منفی به آن اعمال می شود. میدان‌های الکتریکی داخلی که در این حالت ایجاد می‌شوند بر روی یک میدان ثابت قرار می‌گیرند و قدرت میدان را در سمت راست لایه افزایش می‌دهند و آن را به سمت چپ کاهش می‌دهند (شکل 2، a). سرعت الکترون ها در سمت راست لایه کاهش می یابد و به سمت چپ افزایش می یابد. این منجر به رشد بیشتر لایه تجمع متحرک و توزیع مجدد میدان در نمونه می شود (شکل 2، ب). به طور معمول، یک لایه بار فضایی در کاتد هسته می گیرد، زیرا در نزدیکی تماس اهمی کاتد، ناحیه ای با غلظت الکترون افزایش یافته و قدرت میدان الکتریکی کم وجود دارد. نوساناتی که در نزدیکی تماس آند به دلیل حرکت الکترون ها به سمت آند رخ می دهد، زمان ایجاد نمی کند.

با این حال، چنین توزیع میدان الکتریکی ناپایدار است و اگر ناهمگنی در نمونه به شکل جهش در غلظت، تحرک یا دما وجود داشته باشد، می تواند به یک حوزه میدان به اصطلاح قوی تبدیل شود. قدرت میدان الکتریکی با معادله پواسون به غلظت الکترون مربوط می شود که برای حالت یک بعدی به شکل

(1)

افزایش میدان الکتریکی در بخشی از نمونه با ظاهر شدن یک بار فضایی در مرزهای این ناحیه، منفی در سمت کاتد و مثبت در سمت آند همراه خواهد بود (شکل 3، a). در این حالت، سرعت الکترون ها در داخل منطقه مطابق با شکل 1 کاهش می یابد. الکترون‌های سمت کاتد با الکترون‌های داخل این ناحیه برخورد می‌کنند، به همین دلیل بار منفی افزایش می‌یابد و یک لایه غنی از الکترون تشکیل می‌شود. الکترون ها از سمت آند به سمت جلو حرکت می کنند، به همین دلیل بار مثبت افزایش می یابد و یک لایه تخلیه شده تشکیل می شود که در آن. این منجر به افزایش بیشتر میدان در ناحیه نوسان با حرکت بار به سمت آند و افزایش وسعت ناحیه دوقطبی بار فضایی می شود. اگر ولتاژ اعمال شده به دیود ثابت بماند، با افزایش دامنه دوقطبی، میدان خارج از آن کاهش می یابد (شکل 3، ب). افزایش میدان در حوزه زمانی متوقف می شود که سرعت آن برابر با سرعت الکترون های خارج از حوزه شود. بدیهی است که . شدت میدان الکتریکی در خارج از حوزه (شکل 3، ج) کمتر از حد آستانه خواهد بود، که انتقال بین دره‌ای الکترون‌ها به خارج از حوزه و تشکیل حوزه دیگری را تا ناپدید شدن الکترون‌هایی که قبلاً در دامنه تشکیل شده غیرممکن می‌سازد. آند پس از تشکیل یک دامنه میدان بالا پایدار، جریان عبوری از دیود در طول حرکت خود از کاتد به آند ثابت می ماند.

شکل 3. برای توضیح فرآیند تشکیل دامنه دوقطبی.

پس از ناپدید شدن دامنه در آند، قدرت میدان در نمونه افزایش می‌یابد و زمانی که به مقدار رسید، تشکیل یک دامنه جدید آغاز می‌شود. در این حالت، جریان به حداکثر مقدار برابر با (شکل 4، ج) می رسد.

(2)

این حالت کار دیود گان را حالت ترانزیت می نامند. در حالت انتقال، جریان عبوری از دیود شامل پالس هایی است که با یک نقطه همراه هستند . دیود نوسانات مایکروویو با فرکانس پرواز ایجاد می کند ، عمدتاً توسط طول نمونه تعیین می شود و به میزان ضعیفی به بار بستگی دارد (دقیقاً این نوسانات بود که گان هنگام مطالعه نمونه هایی از GaAs و InP مشاهده کرد).

فرآیندهای الکترونیکی در یک دیود گان باید با در نظر گرفتن معادلات پواسون، تداوم و چگالی جریان کل در نظر گرفته شود که برای حالت یک بعدی به شکل زیر است:

; (3)

. (4)

شکل 4. مدار معادل یک ژنراتور دیود گان (a) و وابستگی‌های زمانی ولتاژ (b) و جریان از طریق دیود گان در حالت انتقال (c) و در حالت‌های با تاخیر (d) و میرایی دامنه (e).

ولتاژ لحظه ای در سراسر دیود. جریان کل به مختصات بستگی ندارد و تابع زمان است. ضریب انتشار اغلب مستقل از میدان الکتریکی در نظر گرفته می شود.

بسته به پارامترهای دیود (درجه و مشخصات دوپینگ ماده، طول و سطح مقطع نمونه و دمای آن)، و همچنین به ولتاژ تغذیه و خواص بار، دیود Gunn، به عنوان یک مولد و تقویت کننده مایکروویو، می تواند در حالت های مختلف کار کند: دامنه، محدود کردن تجمع بار فضایی (ONZ، در ادبیات خارجی LSA - LSA - Limited Space Charge Acumulation)، هیبریدی، امواج متحرک بار فضایی، رسانایی منفی.

حالت های عملکرد دامنه

حالت های دامنه عملکرد یک دیود Gunn با حضور یک دامنه دوقطبی تشکیل شده در نمونه در طول بخش قابل توجهی از دوره نوسان مشخص می شود. ویژگی های یک دامنه دوقطبی ساکن به طور مفصل در [?] مورد بحث قرار گرفته است، جایی که نشان داده شده است که از (1)، (3) و (4) نتیجه می شود که سرعت دامنه و حداکثر قدرت میدان در آن با هم مرتبط هستند. بر اساس قانون مساحت های مساوی

. (5)

مطابق با (5)، مناطق سایه دار در شکل 5، a و محدود شده توسط خطوط یکسان است. همانطور که از شکل مشاهده می شود، حداکثر قدرت میدان در حوزه به طور قابل توجهی از میدان خارج از دامنه فراتر رفته و می تواند به ده ها کیلوولت بر سانتی متر برسد.

شکل 5. برای تعیین پارامترهای حوزه دوقطبی.

شکل 5، b وابستگی ولتاژ دامنه را نشان می دهد در قدرت میدان الکتریکی در خارج از آن، که در آن طول دامنه است (شکل 3، ج). در آنجا یک "خط ابزار" از یک دیود با طول در یک ولتاژ مشخص ساخته شد، با در نظر گرفتن این واقعیت که کل ولتاژ در سراسر دیود است. نقطه تقاطع A ولتاژ دامنه و شدت میدان خارج از آن را تعیین می کند. باید در نظر داشت که دامنه در ولتاژ ثابت رخ می دهد با این حال، هنگامی که در طول حرکت دامنه به سمت آند، ولتاژ روی دیود به مقدار کاهش می یابد، می تواند وجود داشته باشد (خط نقطه چین در شکل 5، b). اگر ولتاژ روی دیود بیشتر کاهش یابد به طوری که از ولتاژ خاموش شدن دامنه کمتر شود، دامنه حاصل برطرف می شود. ولتاژ میرایی مربوط به لحظه ای است که "خط مستقیم ابزار" خط را در شکل 5، b لمس می کند.

بنابراین، ولتاژ ناپدید شدن دامنه کمتر از ولتاژ آستانه تشکیل دامنه است. همانطور که از شکل 5 مشاهده می شود، به دلیل وابستگی شدید ولتاژ اضافی به دامنه به شدت میدان خارج از دامنه، میدان خارج از دامنه و سرعت دامنه زمانی که ولتاژ روی دیود تغییر می کند کمی تغییر می کند. ولتاژ اضافی عمدتاً در دامنه جذب می شود. در حال حاضر در سرعت دامنه فقط کمی با سرعت اشباع متفاوت است و تقریباً می توان آن را در نظر گرفت، و بنابراین، فرکانس پرواز، به عنوان مشخصه یک دیود، معمولاً با عبارت:

(6)

طول دامنه به غلظت ناخالصی دهنده و همچنین به ولتاژ روی دیود بستگی دارد و 5-10 میکرومتر است. کاهش غلظت ناخالصی به دلیل افزایش لایه تخلیه منجر به گسترش دامنه می شود. تشکیل یک دامنه در یک زمان محدود رخ می دهد و با ایجاد رسانایی دیفرانسیل منفی و افزایش بار فضایی همراه است. ثابت زمانی برای افزایش بار فضایی در حالت اغتشاش کوچک برابر با ثابت آرامش دی الکتریک است و توسط تحرک دیفرانسیل منفی و غلظت الکترون تعیین می شود. در حداکثر مقدار، در حالی که زمان استقرار ODP کمتر است. بنابراین، زمان تشکیل دامنه تا حد زیادی توسط فرآیند توزیع مجدد بار فضایی تعیین می شود. این بستگی به ناهمگنی میدان اولیه، سطح دوپینگ و ولتاژ اعمال شده دارد.

شکل 6. دیود گان.

تقریباً اعتقاد بر این است که دامنه در زمان زیر زمان تشکیل کامل خواهد داشت:

که در آن بیان شده است. تنها در صورتی منطقی است که در مورد حالت های دامنه صحبت کنیم که دامنه زمان تشکیل در طول پرواز الکترون ها در نمونه را داشته باشد. از این رو شرط وجود حوزه دوقطبی هر دو است .

مقدار حاصلضرب غلظت الکترون و طول نمونه بحرانی نامیده می شود و تعیین می شود. این مقدار مرز بین حالت‌های دامنه دیود Gunn و حالت‌هایی با توزیع میدان الکتریکی پایدار در یک نمونه دوپ شده یکنواخت است. هنگامی که یک دامنه میدان قوی تشکیل نمی شود، نمونه پایدار نامیده می شود. حالت های دامنه مختلف امکان پذیر است. معیار نوع، به طور دقیق، فقط برای سازه هایی معتبر است که در آنها طول لایه فعال بین کاتد و آند بسیار کمتر از ابعاد عرضی است: (شکل 6، a)، که مربوط به یک مشکل یک بعدی است. و برای ساختارهای مسطح و مسطح معمول است. برای ساختارهای لایه نازک (شکل 6، b)، یک لایه GaAs فعال اپیتاکسیال 1 طولانی می تواند بین یک بستر با مقاومت بالا 3 و یک لایه دی الکتریک عایق 2، که برای مثال از SiO2 ساخته شده است، قرار گیرد. کنتاکت های آند و کاتد اهمی با استفاده از روش های فوتولیتوگرافی ساخته می شوند. اندازه عرضی دیود را می توان با طول آن مقایسه کرد. در این حالت، بارهای فضایی تشکیل شده در طول تشکیل دامنه، میدان های الکتریکی داخلی ایجاد می کنند که نه تنها یک جزء طولی، بلکه یک جزء عرضی نیز دارند (شکل 6، ج). این منجر به کاهش میدان در مقایسه با یک مشکل یک بعدی می شود. هنگامی که ضخامت لایه فعال کوچک است، زمانی که، معیار عدم وجود ناپایداری دامنه با شرط جایگزین می شود. برای چنین سازه هایی، با توزیع پایدار میدان الکتریکی، می تواند بیشتر باشد.

زمان تشکیل دامنه نباید از نیم چرخه نوسانات مایکروویو تجاوز کند. بنابراین شرط دومی برای وجود دامنه متحرک وجود دارد که با در نظر گرفتن (1) از آن به دست می آوریم .

بسته به نسبت زمان پرواز و دوره نوسانات مایکروویو و همچنین مقادیر ولتاژ ثابت و دامنه ولتاژ فرکانس بالا، حالت های دامنه زیر قابل تشخیص است: پرواز از- پرواز، حالت با تاخیر دامنه، حالت با سرکوب (کوئنچ) دامنه. اجازه دهید فرآیندهایی را که در این حالت‌ها اتفاق می‌افتد در مورد دیود Gunn در نظر بگیریم که بر روی یک بار به شکل یک مدار نوسانی موازی با مقاومت فعال در فرکانس تشدید کار می‌کند و دیود توسط یک ژنراتور ولتاژ با مقاومت داخلی کم تغذیه می‌شود (نگاه کنید به شکل 4a). در این حالت ولتاژ روی دیود طبق قانون سینوسی تغییر می کند. امکان تولید در .

در مقاومت بار کم، چه زمانی، کجا - مقاومت دیود گان در میدان های ضعیف، دامنه ولتاژ فرکانس بالا کم است و ولتاژ لحظه ای روی دیود از مقدار آستانه فراتر می رود (شکل 4b، منحنی 1 را ببینید). در اینجا، حالت عبوری که قبلاً در نظر گرفته شده بود، زمانی رخ می‌دهد که پس از تشکیل دامنه، جریان عبوری از دیود ثابت و برابر باقی می‌ماند (شکل 9.39، ج را ببینید). هنگامی که دامنه ناپدید می شود، جریان به افزایش می یابد. برای GaAs. فرکانس نوسانات در حالت پرواز برابر است با . از آنجایی که نسبت کوچک است، کارایی تعداد ژنراتورهای دیود Gunn که در حالت ترانزیت کار می کنند کم است و این حالت معمولاً کاربرد عملی ندارد.

هنگامی که دیود در مداری با مقاومت بالا کار می کند، دامنه ولتاژ متناوب می تواند بسیار زیاد باشد، به طوری که در بخشی از دوره، ولتاژ لحظه ای روی دیود کمتر از آستانه می شود (مطابق با منحنی 2 در شکل 4b). در این مورد، ما از حالتی با تاخیر در تشکیل دامنه صحبت می کنیم. زمانی که ولتاژ روی دیود از آستانه فراتر رود، یعنی در یک لحظه از زمان، یک دامنه تشکیل می شود (شکل 4، d را ببینید). پس از تشکیل دامنه، جریان دیود کاهش می یابد و در طول زمان پرواز دامنه به همین شکل باقی می ماند. هنگامی که دامنه در یک لحظه از زمان روی آند ناپدید می شود، ولتاژ روی دیود کمتر از آستانه است و دیود نشان دهنده یک مقاومت فعال است. تغییر جریان متناسب با ولتاژ دو طرف دیود تا لحظه ای است که جریان به حداکثر مقدار خود می رسد و ولتاژ دو طرف دیود برابر با آستانه است. تشکیل یک دامنه جدید شروع می شود و کل فرآیند تکرار می شود. مدت زمان پالس فعلی برابر است با زمان تاخیر تشکیل یک دامنه جدید. زمان تشکیل دامنه در مقایسه با و کوچک در نظر گرفته می شود. بدیهی است که چنین حالتی در صورتی امکان پذیر است که زمان پرواز در محدوده و فرکانس نوسانات ایجاد شده باشد. .

با دامنه حتی بیشتر از ولتاژ فرکانس بالا، مطابق با منحنی 3 در شکل 4b، حداقل ولتاژ روی دیود ممکن است کمتر از ولتاژ میرایی دیود باشد. در این حالت، حالتی با میرایی دامنه رخ می دهد (شکل 2 را ببینید). 4e). یک دامنه در نقطه ای از زمان تشکیل می شود و در نقطه ای از زمان که یک دامنه جدید پس از فراتر رفتن ولتاژ از مقدار آستانه شروع به تشکیل می کند، حل می شود. از آنجایی که ناپدید شدن یک دامنه با رسیدن آن به آند همراه نیست، زمان پرواز الکترون ها بین کاتد و آند در حالت خاموش شدن دامنه می تواند از دوره نوسان بیشتر شود: . بنابراین، در حالت میرایی. حد بالایی فرکانس های تولید شده با شرایط محدود می شود و می تواند باشد.

بهره وری الکترونیکی ژنراتورهای مبتنی بر دیودهای Gunn که در حالت‌های دامنه کار می‌کنند را می‌توان با گسترش تابع جریان به سری فوریه (نگاه کنید به شکل 4) برای یافتن دامنه اولین هارمونیک و جزء جریان مستقیم تعیین کرد. ارزش کارایی بستگی به روابط , , , و در مقدار بهینه دارد برای دیودهای GaAs در حالت تاخیر دامنه از 6٪ تجاوز نمی کند. بهره وری الکترونیکی در حالت خاموش کردن دامنه کمتر از حالت تاخیر دامنه است.

حالت ONOZ.

کمی دیرتر از حالت های دامنه، حالتی برای محدود کردن انباشت بار فضایی برای دیودهای Gunn پیشنهاد و اجرا شد. در ولتاژهای ثابت روی دیود، چندین برابر بیشتر از مقدار آستانه، و دامنه های ولتاژ بزرگ در فرکانس های چندین برابر بیشتر از فرکانس پرواز وجود دارد. برای اجرای حالت ONOS، دیودهایی با مشخصات دوپینگ بسیار یکنواخت مورد نیاز است. توزیع یکنواخت میدان الکتریکی و غلظت الکترون در طول نمونه توسط نرخ بالای تغییر ولتاژ در سراسر دیود تضمین می شود. اگر دوره زمانی که در طی آن شدت میدان الکتریکی از ناحیه مشخصه NDC می گذرد بسیار کمتر از زمان تشکیل دامنه باشد، پس توزیع مجدد میدان و بار فضایی در طول دیود مشاهده نمی شود. سرعت الکترون ها در سراسر نمونه از تغییر میدان الکتریکی پیروی می کند و جریان عبوری از دیود با وابستگی سرعت به میدان تعیین می شود (شکل 7).

بنابراین در حالت ONOS از رسانایی منفی دیود برای تبدیل انرژی منبع تغذیه به انرژی نوسانات مایکروویو استفاده می شود. در این حالت، در بخشی از دوره نوسان، ولتاژ روی دیود کمتر از آستانه باقی می‌ماند و نمونه در حالتی است که با تحرک الکترون مثبت مشخص می‌شود، یعنی بار فضایی که در طول زمانی که الکتریسیته تشکیل می‌شود. میدان در دیود بالاتر از آستانه بود، حل می شود.

ما تقریباً شرط افزایش ضعیف شارژ در طول زمان را در فرم می نویسیم ، جایی که ; مقدار متوسط ​​تحرک الکترون دیفرانسیل منفی در منطقه است. جذب بار فضایی در زمان، اگر و کجا موثر خواهد بود ; و - ثابت زمان آرامش دی الکتریک و تحرک الکترون در میدان ضعیف.

با احتساب , ، ما داریم . این نابرابری محدوده مقادیری را تعیین می کند که در آن حالت ONZ اجرا می شود.

راندمان الکترونیکی یک ژنراتور دیود Gunn در حالت ONOS را می توان از شکل فعلی محاسبه کرد (شکل 7). در حداکثر راندمان 17٪ است.

شکل 7. وابستگی زمانی جریان به دیود Gunn در حالت ONOS.

در حالت های دامنه، فرکانس نوسانات ایجاد شده تقریباً برابر با فرکانس پرواز است. بنابراین، طول دیودهای Gunn که در حالت‌های دامنه کار می‌کنند به محدوده فرکانس کاری توسط عبارت مرتبط است

که در آن بر حسب گیگاهرتز و - بر حسب میکرون بیان می شود. در حالت ONOS، طول دیود به فرکانس کاری بستگی ندارد و می تواند چندین برابر بیشتر از طول دیودهایی باشد که در همان فرکانس ها در حالت های دامنه کار می کنند. این به شما امکان می دهد تا قدرت ژنراتورها را در حالت ONO در مقایسه با ژنراتورهایی که در حالت های دامنه کار می کنند افزایش دهید.

فرآیندهای در نظر گرفته شده در یک دیود Gunn در حالت های دامنه اساساً ایده آل هستند، زیرا آنها در فرکانس های نسبتا پایین (1-3 گیگاهرتز) تحقق می یابند، که در آن دوره نوسان به طور قابل توجهی کمتر از زمان تشکیل دامنه است، و طول دیود بسیار بیشتر از طول دامنه در سطوح دوپینگ معمولی . اغلب، دیودهای موج پیوسته Gunn در فرکانس‌های بالاتر در حالت‌های به اصطلاح ترکیبی استفاده می‌شوند. حالت‌های عملکرد هیبریدی دیودهای Gunn حد واسط بین حالت‌های ONOS و دامنه هستند. برای حالت های ترکیبی معمول است که تشکیل یک دامنه بیشتر دوره نوسان را به خود اختصاص می دهد. یک دامنه ناقص تشکیل شده زمانی حل می شود که ولتاژ لحظه ای در دیود به مقادیر زیر آستانه کاهش یابد. قدرت میدان الکتریکی خارج از ناحیه افزایش بار فضایی معمولاً بیشتر از آستانه باقی می ماند. فرآیندهای رخ داده در دیود در حالت ترکیبی با استفاده از یک کامپیوتر با استفاده از معادلات (1)، (3) و (4) تجزیه و تحلیل می‌شوند. حالت های ترکیبی طیف وسیعی از مقادیر را اشغال می کنند و به اندازه حالت ONOZ به پارامترهای مدار حساس نیستند.

حالت ONOS و حالت های عملکرد ترکیبی دیود Gunn به عنوان حالت های خود تحریکی "سخت" طبقه بندی می شوند که با وابستگی هدایت الکترونیکی منفی به دامنه ولتاژ فرکانس بالا مشخص می شوند. قرار دادن ژنراتور در حالت هیبریدی (و همچنین در حالت ONOZ) یک کار پیچیده است و معمولاً با انتقال متوالی دیود از حالت انتقال به حالت هیبریدی انجام می شود.

شکل 8. راندمان الکترونیکی ژنراتورهای دیود GaAs Gunn برای حالت های مختلف عملکرد:

1-با تاخیر تشکیل دامنه

2- با سرکوب دامنه

شکل 9. وابستگی زمانی ولتاژ (a) و جریان (b) یک دیود Gunn در حالت بازده بالا.

3-هیبریدی

طراحی و پارامترهای ژنراتور بر اساس دیودهای Gunn.

شکل 8 مقادیر حداکثر بازده الکترونیکی را نشان می دهد. دیود GaAs Gunn در حالت های مختلف عملیاتی. مشاهده می شود که مقادیر از 20٪ تجاوز نمی کند. افزایش کارایی ژنراتورهای مبتنی بر دیودهای Gunn از طریق استفاده از سیستم‌های نوسانی پیچیده‌تر امکان‌پذیر است، که این امکان را فراهم می‌کند که وابستگی زمانی جریان و ولتاژ به دیود نشان داده شده در شکل 9 ارائه شود. بسط توابع و در سری فوریه در و مقادیر بازده الکترونیکی را برای دیودهای GaAs Gunn 25 درصد می دهد. تقریب نسبتاً خوبی برای منحنی بهینه با استفاده از هارمونیک ولتاژ دوم بدست می آید. راه دیگری برای افزایش کارایی شامل استفاده از مواد با نسبت بالا در دیودهای Gunn است. بنابراین، برای فسفید ایندیم به 3.5 می رسد، که بازده الکترونیکی نظری دیودها را به 40٪ افزایش می دهد.

باید در نظر داشت که کارایی الکترونیکی ژنراتورهای مبتنی بر دیودهای Gunn در فرکانس های بالا کاهش می یابد، زمانی که دوره نوسان متناسب با زمان استقرار NDC می شود (این خود را قبلاً در فرکانس های ~30 گیگاهرتز نشان می دهد). اینرسی فرآیندهایی که وابستگی میانگین سرعت رانش الکترون ها را به میدان تعیین می کنند منجر به کاهش مولفه آنتی فاز جریان دیود می شود. فرکانس های محدود کننده دیودهای Gunn مرتبط با این پدیده در حدود 100 گیگاهرتز برای دستگاه های GaAs و 150 تا 300 گیگاهرتز برای دستگاه های InP تخمین زده می شود.

قدرت خروجی دیودهای Gunn توسط فرآیندهای الکتریکی و حرارتی محدود می شود. تأثیر دومی منجر به وابستگی حداکثر توان به فرکانس در شکل می شود که در آن ثابت با گرمای بیش از حد مجاز سازه، ویژگی های حرارتی مواد و راندمان الکترونیکی تعیین می شود. و ظرفیت دیود محدودیت های حالت الکتریکی به این دلیل است که در توان خروجی بالا دامنه نوسانات متناسب با ولتاژ ثابت روی دیود است: .

در حالت های دامنه بنابراین مطابق با ما داریم:

,

که در آن مقاومت بار معادل است که دوباره به پایانه های دیود محاسبه می شود و برابر با ماژول مقاومت منفی فعال LPD است.

حداکثر قدرت میدان الکتریکی در حوزه به طور قابل توجهی از مقدار میدان متوسط ​​در دیود فراتر می رود، در عین حال باید کمتر از قدرت شکستی باشد که در آن شکست بهمنی مواد رخ می دهد (برای GaAs ). معمولاً مقدار مجاز میدان الکتریکی در نظر گرفته می شود.

همانند LPD ها، در فرکانس های نسبتاً پایین (در محدوده طول موج سانتی متر)، حداکثر توان خروجی دیودهای Gunn توسط اثرات حرارتی تعیین می شود. در محدوده میلی متری، ضخامت ناحیه فعال دیودهایی که در حالت های دامنه کار می کنند کوچک می شود و محدودیت های الکتریکی حاکم می شود. در حالت پیوسته در محدوده سه سانتی متری، توان 1-2 وات را می توان از یک دیود با بازده حداکثر 14٪ بدست آورد. در فرکانس های 60-100 گیگاهرتز - تا 100 WW با بازده چند درصد. ژنراتورهای دیود Gunn با نویز فرکانس قابل توجهی کمتر از ژنراتورهای LPD مشخص می شوند.

حالت ONOZ با توزیع بسیار یکنواخت میدان الکتریکی مشخص می شود. علاوه بر این، طول دیودی که در این حالت کار می کند می تواند قابل توجه باشد. بنابراین، دامنه ولتاژ مایکروویو روی دیود در حالت ONOS می تواند 1-2 مرتبه بزرگتر از ولتاژ در حالت های دامنه باشد. بنابراین، توان خروجی دیودهای Gunn در حالت ONOS را می توان در مقایسه با حالت های دامنه چندین مرتبه افزایش داد. برای حالت ONOZ، محدودیت های حرارتی به چشم می خورد. دیودهای Gunn در حالت ONOS اغلب در حالت پالسی با چرخه کاری بالا کار می کنند و تا چندین کیلووات در محدوده طول موج سانتی متری برق تولید می کنند.

فرکانس ژنراتورهای مبتنی بر دیودهای Gunn عمدتاً توسط فرکانس تشدید سیستم نوسانی با در نظر گرفتن رسانایی خازنی دیود تعیین می شود و می توان در محدوده وسیعی با روش های مکانیکی و الکتریکی تنظیم کرد.

در یک مولد موجبر (شکل 10، a)، دیود Gunn 1 بین دیواره های پهن یک موجبر مستطیلی در انتهای یک میله فلزی نصب می شود. ولتاژ بایاس از طریق ورودی چوک 2 تامین می شود که به شکل بخش هایی از خطوط کواکسیال موج چهارم ساخته شده است و از نفوذ نوسانات مایکروویو به مدار منبع تغذیه جلوگیری می کند. تشدید کننده کم Q توسط عناصر نصب کننده دیود در موجبر تشکیل می شود. فرکانس ژنراتور با استفاده از یک دیود واکتور 3 که در فاصله نیم موج قرار دارد تنظیم می شود و به طور مشابه دیود گان در موجبر نصب می شود. اغلب دیودها در یک موجبر با ارتفاع کاهش یافته قرار می گیرند که توسط یک ترانسفورماتور موج چهارم به یک موجبر خروجی مقطع استاندارد متصل می شود.

شکل 10. طراحی ژنراتور بر اساس دیودهای Gunn:

a-waveguide; b-microstrip; c-با تنظیم فرکانس توسط کره YIG

در طرح میکرو نواری (شکل 10، ب)، دیود 1 بین پایه و هادی نوار متصل است. برای تثبیت فرکانس، یک تشدید کننده دی الکتریک با کیفیت بالا 4 به شکل یک دیسک ساخته شده از یک دی الکتریک با تلفات کم و با ارزش بالا (به عنوان مثال، تیتانات باریم)، ​​واقع در نزدیکی یک هادی نوار MPL با عرض استفاده می شود. خازن 5 برای جداسازی مدارهای قدرت و مسیر مایکروویو عمل می کند. ولتاژ تغذیه از طریق مدار سلف 2، متشکل از دو بخش MPL یک چهارم موج با امپدانس های موج متفاوت تامین می شود و خط با مقاومت کم باز است. استفاده از تشدید کننده های دی الکتریک با ضریب دمایی فرکانس مثبت، ایجاد نوسانگرهایی با جابجایی فرکانس های کوچک در هنگام تغییر دما (~40 کیلوهرتز / درجه سانتی گراد) را ممکن می سازد.

ژنراتورهای قابل تنظیم فرکانس مبتنی بر دیودهای Gunn را می توان با استفاده از تک بلورهای گارنت آهن ایتریوم ساخت (شکل 10، ج). فرکانس ژنراتور در این مورد به دلیل تنظیم فرکانس تشدید یک تشدید کننده با کیفیت بالا، که به شکل یک کره YIG با قطر کوچک است، در هنگام تغییر میدان مغناطیسی تغییر می کند. حداکثر تنظیم در دیودهای بسته بندی نشده که حداقل پارامترهای واکنشی دارند به دست می آید. مدار فرکانس بالا دیود شامل یک چرخش کوتاه است که کره YIG 6 را در بر می گیرد. اتصال مدار دیود با مدار بار به دلیل اندوکتانس متقابل ارائه شده توسط کره YIG و پیچ های کوپلینگ متعامد انجام می شود. محدوده تنظیم الکتریکی چنین ژنراتورهایی که به طور گسترده در دستگاه های اندازه گیری خودکار استفاده می شود، به یک اکتاو با توان خروجی 10-20 میلی وات می رسد.

تقویت کننده های مبتنی بر دیودهای Gunn.

توسعه تقویت‌کننده‌های مبتنی بر دیودهای Gunn، به ویژه برای محدوده طول موج میلی‌متری، که در آن استفاده از ترانزیستورهای مایکروویو محدود است، بسیار مورد توجه است. یک وظیفه مهم هنگام ایجاد تقویت کننده ها بر اساس دیودهای Gunn، اطمینان از پایداری عملکرد آنها (تثبیت دیود) و مهمتر از همه، سرکوب نوسانات نوع دامنه سیگنال کوچک است. این را می توان با محدود کردن پارامتر دیود، بارگذاری دیود با یک مدار خارجی، انتخاب پروفایل دوپینگ دیود، کاهش سطح مقطع یا اعمال یک فیلم دی الکتریک روی نمونه به دست آورد. به عنوان تقویت کننده، از هر دو دیود مسطح و میان ساختار استفاده می شود که دارای رسانایی منفی در ولتاژهای بالاتر از آستانه در یک محدوده فرکانس وسیع در نزدیکی فرکانس پرواز هستند و به عنوان تقویت کننده های بازتابی احیا کننده با یک سیرکولاتور در ورودی، و همچنین ساختارهای فیلم پیچیده تر استفاده می شوند. که از پدیده بار فضایی رشد موج در ماده ای با NDC استفاده می کنند که اغلب تقویت کننده های موج سفر لایه نازک (TWA) نامیده می شود.

در دیودهای دوپ شده زیر بحرانی در تشکیل یک دامنه در حال اجرا حتی در ولتاژهای بیش از آستانه غیرممکن است. همانطور که محاسبات نشان می دهد، دیودهای زیر بحرانی با مقاومت معادل منفی در فرکانس های نزدیک به فرکانس پرواز، در ولتاژهای بیش از آستانه مشخص می شوند. آنها را می توان در تقویت کننده های بازتابی استفاده کرد. با این حال، به دلیل دامنه دینامیکی و بهره پایین آنها، کاربرد محدودی دارند.

رسانایی منفی پایدار در یک محدوده فرکانس وسیع، که به 40٪ می رسد، در دیودهایی با در طول دیود کوتاه (~8-15 میکرومتر) و ولتاژ . در ولتاژهای پایین تر، تولید مشاهده می شود که شکست آن با افزایش ولتاژ را می توان با کاهش NDC ماده با افزایش دمای دستگاه توضیح داد.

توزیع یکنواخت میدان الکتریکی در طول دیود و بهره پایدار در یک باند فرکانس وسیع را می توان به دلیل دوپینگ غیریکنواخت نمونه به دست آورد (شکل 12، a). اگر در نزدیکی کاتد یک لایه باریک و کم دوپ شده به طول حدود 1 میکرومتر وجود داشته باشد، تزریق الکترون از کاتد را محدود می‌کند و منجر به افزایش شدید میدان الکتریکی می‌شود. افزایش غلظت ناخالصی در طول نمونه به سمت آند در محدوده از تا امکان دستیابی به یکنواختی میدان الکتریکی را فراهم می کند. فرآیندهای موجود در دیودهای با این مشخصات معمولاً در رایانه محاسبه می شوند.

شکل 12. مشخصات دوپینگ (a) و توزیع میدان (b) در یک دیود Gunn با ناحیه کاتدی با مقاومت بالا.

انواع تقویت کننده های در نظر گرفته شده با محدوده دینامیکی گسترده، بازده 2-3٪ و رقم نویز ~ 10 دسی بل در محدوده طول موج سانتی متر مشخص می شوند.

شکل 13. نمودار تقویت کننده موج سفر لایه نازک GaAs با رانش طولی

برای عملکرد تقویت کننده، لازم است از یکنواختی فیلم و یکنواختی میدان الکتریکی در طول دستگاه اطمینان حاصل شود. ولتاژ بایاس BW در ناحیه GaAs NDC قرار دارد، یعنی در . در این حالت، موج بار فضایی با حرکت در طول فیلم رشد می کند. توزیع پایدار و یکنواخت میدان الکتریکی در UWV با استفاده از فیلم‌هایی با ضخامت کم و پوشش دادن فیلم GaAs با دی الکتریک با مقدار زیاد به دست می‌آید.

استفاده از معادلات اساسی حرکت الکترون برای حالت یک بعدی (1)، (3)، (4) و حالت سیگنال کوچک، زمانی که اجزای ثابت جریان همرفت، قدرت میدان الکتریکی و چگالی بار بسیار بیشتر از دامنه مولفه های متغیر () منجر به معادله پراکندگی برای انتشار ثابت می شود که راه حلی به شکل دو موج دارد.

یکی از آنها موج مستقیمی است که در طول فیلم از کاتد به آند با سرعت فاز منتشر می شود و دامنه ای دارد که طبق قانون متفاوت است:

زمان حرکت الکترون ها از ورودی دستگاه کجاست. هنگام کار در منطقه ODP، موج مستقیم نیز افزایش می یابد. موج دوم معکوس است، از آند به کاتد منتشر می شود و دامنه آن به صورت . ضریب انتشار برای GaAs است بنابراین موج معکوس به سرعت از بین می رود. از (9) بهره دستگاه (dB) است.

(10)

برآورد با (10) در و افزایشی در حد 0.3-3 dB/μm می دهد. باید در نظر داشت که بیان (10) اساساً کیفی است. استفاده مستقیم از آن برای محاسبه امواج در حال رشد یک بار فضایی می تواند به دلیل تأثیر شدید شرایط مرزی برای ضخامت فیلم کوچک منجر به خطا شود، زیرا مشکل باید دو بعدی در نظر گرفته شود. انتشار الکترون نیز باید در نظر گرفته شود و محدوده فرکانسی که در آن تقویت امکان پذیر است را محدود می کند. محاسبات امکان به دست آوردن افزایش ~0.5-1 dB/μm در UWV در فرکانس های 10 گیگاهرتز یا بیشتر را تایید می کند. چنین دستگاه هایی همچنین می توانند به عنوان تغییر دهنده فاز کنترل شده و خطوط تاخیر مایکروویو استفاده شوند.

[L]. Berezin و همکاران دستگاه های الکترونیکی مایکروویو. – M. دبیرستان 1985.

بحث از معادلات (1) با هدف اصلاح آنها برای میدان پتانسیل بردار EM، زیرا معادلات جدید توصیف مداوم فرآیندهای عمل غیر حرارتی میدان‌های الکترودینامیکی در محیط‌های مادی را ممکن می‌سازد: الکتریکی و مغناطیسی. قطبش محیط، انتقال تکانه زاویه ای ضربه EM به آن. روابط اولیه رابطه اولیه بین اجزای میدان EM و میدان پتانسیل برداری EM با ...

قطبیت منابع تغذیه در شکل 3.4 و جهت جریان برای ترانزیستور p-n-p. در مورد یک ترانزیستور n-p-n، قطبیت های ولتاژ و جهت جریان معکوس می شوند. شکل 3.4 فرآیندهای فیزیکی در BT. این حالت عملیاتی (NAR) حالت اصلی است و هدف و نام عناصر ترانزیستور را تعیین می کند. اتصال امیتر حامل ها را به یک باریک تزریق می کند ...

آنها با استفاده از سیم‌های ترموالکتریک به دستگاه‌های ثانویه متصل می‌شوند که، همانطور که بود، ترموالکترودها را گسترش می‌دهند. دستگاه های ثانویه ای که در ارتباط با مبدل های ترموالکتریک کار می کنند، میلی ولت متر و پتانسیومتر مغناطیسی هستند. عملکرد یک میلی ولت متر مغناطیسی بر اساس برهمکنش یک قاب تشکیل شده توسط یک هادی است که از طریق آن جریان با ...

کنترل دما؛ دیودهای مسطح ژرمانیوم و سیلیکون. دانش نظری تغذیه ای که برای کارهای آزمایشگاهی لازم است: 1. فرآیندهای فیزیکی که در نتیجه تماس هادی ها با انواع مختلف رسانایی رخ می دهد. 2. انتقال دایرکتوری الکترونیکی در ایستگاه برابر. نمودار انرژی 3. تزریق و استخراج شارژ. 4. مشخصه ولت آمپر (...

ارسال کار خوب خود در پایگاه دانش ساده است. از فرم زیر استفاده کنید

دانشجویان، دانشجویان تحصیلات تکمیلی، دانشمندان جوانی که از دانش پایه در تحصیل و کار خود استفاده می کنند از شما بسیار سپاسگزار خواهند بود.

نوشته شده در http://www.allbest.ru//

نوشته شده در http://www.allbest.ru//

معرفی

پیدایش و توسعه میکروالکترونیک به عنوان یک جهت علمی و فنی جدید که ایجاد تجهیزات پیچیده رادیویی الکترونیکی (REA) را تضمین می کند، مستقیماً با وضعیت بحرانی که در اوایل دهه 60 به وجود آمد، زمانی که روش های سنتی ساخت REA از عناصر گسسته توسط مونتاژ متوالی آنها نمی تواند قابلیت اطمینان، کارایی، مصرف انرژی، زمان ساخت و ابعاد قابل قبول REA را فراهم کند.

علیرغم مدت کوتاه وجود، اتصال میکروالکترونیک با سایر حوزه های علم و فناوری، نرخ های غیرعادی بالای توسعه این صنعت را تضمین کرده و زمان اجرای صنعتی ایده های جدید را به میزان قابل توجهی کاهش داده است. این نیز با ظهور پیوندهای بازخوردی عجیب بین توسعه مدارهای مجتمع، که مبنای اتوماسیون تولید و مدیریت هستند، و استفاده از این پیشرفت‌ها برای خودکار کردن فرآیند طراحی، تولید و آزمایش مدارهای مجتمع تسهیل شد.

توسعه میکروالکترونیک تغییرات اساسی در اصول طراحی دستگاه های الکترونیکی ایجاد کرده و منجر به استفاده از یکپارچگی پیچیده شده است که شامل موارد زیر است:

یکپارچه سازی ساختاری یا مداری (به عنوان مثال، ادغام توابع مدار در یک واحد ساختاری). با درجه یکپارچگی به ترتیب صدها و هزاران جزء، روش های موجود برای تقسیم سیستم ها به اجزا، دستگاه ها، زیر سیستم ها و بلوک ها و همچنین اشکال هماهنگی توسعه اجزا، دستگاه ها و زیرسیستم ها بی اثر می شوند. در همان زمان، مرکز ثقل به ناحیه مدار حرکت می کند، که نیاز به بازسازی اساسی روش های اجرای سیستم های الکترونیکی با ساخت تجهیزات در سطح سوپر ماژولار دارد.

1. نقش فناوری لایه نازک در تولید مدارهای مجتمع

الکترونیک یکپارچه نه به عنوان یک حوزه جدید یا مجزا از فناوری، بلکه با تعمیم بسیاری از تکنیک‌های تکنولوژیکی که قبلاً در تولید دستگاه‌های نیمه‌رسانای گسسته و در ساخت روکش‌های فیلم با روکش بالایی استفاده می‌شد، در حال توسعه است. بر این اساس، دو جهت اصلی در الکترونیک یکپارچه شناسایی شده است: نیمه هادی و لایه نازک.

ایجاد یک مدار مجتمع بر روی یک ویفر نیمه هادی تک کریستالی (تاکنون فقط سیلیکون) یک پیشرفت طبیعی از اصول تکنولوژیکی ایجاد دستگاه های نیمه هادی است که در دهه های گذشته توسعه یافته است، که همانطور که مشخص است خود را در عملکرد ثابت کرده اند.

جهت لایه نازک الکترونیک یکپارچه مبتنی بر رشد متوالی فیلم‌های مواد مختلف بر روی یک پایه مشترک (زیر لایه) با تشکیل همزمان قطعات میکرو (مقاومت‌ها، خازن‌ها، پدهای تماسی و غیره) و اتصالات درون مدار از این فیلم ها

اخیراً، آی سی های هیبریدی نیمه هادی (جامد) و لایه نازک به عنوان مسیرهای رقابتی در توسعه الکترونیک یکپارچه در نظر گرفته شده اند. در سالهای اخیر آشکار شده است که این دو جهت به هیچ وجه انحصاری نیستند، بلکه برعکس، یکدیگر را تکمیل و غنی می کنند. علاوه بر این، تا به امروز، مدارهای مجتمع با استفاده از هر نوع فناوری ایجاد نشده است (و ظاهراً نیازی به این کار نیست). حتی مدارهای سیلیکونی یکپارچه، که عمدتاً با استفاده از فناوری نیمه هادی تولید می شوند، به طور همزمان از روش هایی مانند رسوب گذاری فیلم های آلومینیوم و سایر فلزات در خلاء برای تولید اتصالات درون مدار استفاده می کنند، یعنی روش هایی که بر اساس آن فناوری لایه نازک است.

مزیت بزرگ فناوری لایه نازک انعطاف پذیری آن است که در توانایی انتخاب مواد با پارامترها و ویژگی های بهینه و در واقع به دست آوردن هر گونه پیکربندی و پارامترهای مورد نیاز عناصر غیرفعال بیان می شود. در این مورد، تحمل هایی که با آن پارامترهای فردی عناصر حفظ می شود را می توان به 1-2٪ افزایش داد. این مزیت به ویژه در مواردی موثر است که مقدار دقیق رتبه‌بندی‌ها و پایداری پارامترهای اجزای غیرفعال حیاتی است (به عنوان مثال، در ساخت مدارهای خطی، مدارهای مقاومتی و RC، برخی از انواع فیلترها، حساس به فاز و مدارهای انتخابی، ژنراتورها و غیره.

با توجه به توسعه و بهبود مستمر فناوری نیمه هادی و لایه نازک و همچنین افزایش پیچیدگی آی سی ها که در افزایش تعداد قطعات و پیچیدگی عملکرد آنها منعکس می شود، باید انتظار داشت که در آینده نزدیک در آینده فرآیند یکپارچه سازی روش ها و تکنیک های تکنولوژیکی وجود خواهد داشت و پیچیده ترین آی سی ها با استفاده از فناوری همگرا تولید خواهند شد. در این صورت می توان چنین پارامترها و چنان قابلیت اطمینان IC را به دست آورد که با استفاده از هر نوع فناوری به طور جداگانه نمی توان به آن دست یافت. به عنوان مثال، در ساخت یک آی سی نیمه هادی، تمام عناصر (غیرفعال و فعال) در یک فرآیند تکنولوژیکی انجام می شود، بنابراین پارامترهای عناصر به هم مرتبط هستند. عناصر فعال تعیین کننده هستند، زیرا معمولاً اتصال پایه-کلکتور ترانزیستور به عنوان خازن استفاده می شود و ناحیه انتشار حاصل از ایجاد پایه ترانزیستور به عنوان مقاومت استفاده می شود. بهینه سازی پارامترهای یک عنصر بدون تغییر همزمان ویژگی های سایر عناصر غیرممکن است. با توجه به ویژگی های عناصر فعال، رتبه بندی عناصر غیرفعال تنها با تغییر اندازه آنها قابل تغییر است.

هنگام استفاده از فناوری ترکیبی، عناصر فعال اغلب با استفاده از فناوری مسطح در یک ویفر سیلیکونی ساخته می شوند، و عناصر غیرفعال با استفاده از فناوری لایه نازک روی عنصر به عنصر اکسید شده (مقاومت ها و گاهی اوقات خازن ها) - سطح همان ویفر سیلیکونی ساخته می شوند. . با این حال، فرآیندهای ساخت بخش فعال و غیرفعال آی سی در زمان از هم جدا می شوند. بنابراین، ویژگی های عناصر غیرفعال تا حد زیادی مستقل هستند و با انتخاب مواد، ضخامت فیلم و هندسه تعیین می شوند. از آنجایی که ترانزیستورهای یک آی سی هیبریدی در داخل زیرلایه قرار دارند، اندازه چنین مداری را می توان در مقایسه با آی سی های هیبریدی که از عناصر فعال گسسته ای استفاده می کنند که فضای نسبتا زیادی را روی بستر اشغال می کنند، به میزان قابل توجهی کاهش داد.

مدارهای ساخته شده با استفاده از فناوری ترکیبی دارای تعدادی مزیت بدون شک هستند. به عنوان مثال، در این حالت می توان مقاومت هایی با مقدار زیاد و ضریب مقاومت دمایی کم، با عرض بسیار باریک و مقاومت سطحی بالا در یک منطقه کوچک به دست آورد. کنترل نرخ رسوب در طول تولید مقاومت ها باعث می شود که آنها با دقت بسیار بالایی تولید شوند. مقاومت هایی که با رسوب فیلم به دست می آیند با جریان های نشتی از طریق بستر حتی در دماهای بالا مشخص نمی شوند و رسانایی حرارتی نسبتاً بالای زیرلایه از احتمال ظهور مناطق با دمای بالا در مدارها جلوگیری می کند.

لایه‌های نازک، علاوه بر تولید آی‌سی با استفاده از فناوری همپایی- مسطح، در تولید آی‌سی‌های هیبریدی و همچنین در ساخت انواع جدید دستگاه‌های میکروالکترونیک (دستگاه‌های کوپل شده با شارژ، شارژرهای کرایوترون بر اساس جوزفسون) کاربرد فراوانی دارند. اثر، شارژرها بر روی حوزه های مغناطیسی استوانه ای و غیره).

2. متالیزاسیون لایه نازک دستگاه های نیمه هادی و مدارهای مجتمع

در ساخت دستگاه های نیمه هادی و آی سی برای تولید کنتاکت های اهمی به سیلیکون، اتصالات و پدهای تماسی و همچنین الکترودهای دروازه سازه های MOS، فیلم های آلومینیومی به دلیل مزایای زیر از این فلز رواج یافته است:

هزینه کم Al و امکان استفاده از یک فلز برای کلیه فرآیندهای فلزی سازی که به طور قابل توجهی هزینه فن آوری را ساده و کاهش می دهد و از وقوع اثرات گالوانیکی جلوگیری می کند.

هدایت الکتریکی بالای فیلم های Al، نزدیک به رسانایی الکتریکی مواد فله؛ سهولت تبخیر Al در خلاء از بوته های تنگستن و اواپراتورهای پرتو الکترونی.

چسبندگی بالای A1 به سیلیکون و اکسیدهای آن؛ تماس با مقاومت کم Al با سیلیکون و رسانایی نوع n.

حلالیت قابل توجه سیلیکون در Al با تشکیل یک محلول جامد که تقریباً هدایت الکتریکی را کاهش نمی دهد.

عدم وجود ترکیبات شیمیایی در سیستم Al-Si؛

برهمکنش شیمیایی A1 با Si02، تا حدی بر روی پدهای تماسی باقی مانده است. مقاومت شیمیایی A1 در محیط اکسید کننده و مقاومت در برابر تشعشع.

سهولت عملیات فوتولیتوگرافی برای به دست آوردن پیکربندی مسیرهای رسانا با استفاده از اچ کننده هایی که با سیلیکون و دی اکسید سیلیکون واکنش نمی دهند. شکل پذیری Al خوب و مقاومت در برابر تغییرات دمایی چرخه ای.

اندازه دانه‌های لایه‌های آلی رسوب‌شده به میزان قابل توجهی به سرعت تبخیر و دمای زیرلایه‌ها بستگی دارد. هرچه اندازه دانه بزرگتر و ساختار بلوری کامل تر فیلم باشد، مقاومت آن کمتر می شود، اثر مهاجرت الکتریکی کمتر می شود و در نتیجه مسیرهای حامل جریان و کنتاکت های اهمی عمر طولانی تری دارند. رشد جهت‌گیری فیلم‌های Al بر روی سطوح سیلیکونی اکسید نشده در صفحه (111) با نرخ‌های رسوب در حدود 3 * 10-2 میکرومتر * s-1 و دمای بستر 200-250 درجه سانتی‌گراد مشاهده می‌شود.

برای به دست آوردن چنین نرخ های رسوب فیلم، اغلب از تبخیر کننده های پرتو الکترونی استفاده می شود. در این حالت، درجه کمال ساختار کریستالی لایه‌ها می‌تواند به‌دلیل گرمایش تشعشعی اضافی زیرلایه‌ها به طور غیرقابل کنترلی تغییر کند، که بزرگی آن هم به قدرت اواپراتور و هم به مواد بستر و ضخامت لایه بستگی دارد. فیلم سپرده شده تغییرات کنترل نشده در ساختار فیلم نیز به دلیل وجود ذرات باردار در پرتو مولکولی بخار Al تبخیر شده ایجاد می شود. هرچه جریان انتشار کاتد بیشتر و نرخ تبخیر بیشتر باشد، غلظت ذرات باردار بیشتر می شود.

یکی از معایب قابل توجه فیلم های آلی خالص، انتقال ماده در نتیجه انتشار الکترودیفیوژن (رانش یون های مواد در امتداد یک هادی، وجود اختلاف پتانسیل در انتهای دومی) است. سرعت حرکت یون تابعی از دما است و با دما افزایش می یابد. علاوه بر الکترودیفیوژن، انتشار اتم های فلز در نتیجه اختلاف دما در انتهای هادی امکان پذیر است. اگر Al بر روی اکسید سیلیکون ته نشین شود، این امر باعث اتلاف حرارت ضعیف، ظهور مراکز "گرم" در مسیرهای رسانا و در نتیجه، گرادیان دما قابل توجهی می شود. مهاجرت الکتریکی Al در چگالی جریان کمتر از سایر فلزات منجر به ظهور حفره‌هایی در فیلم می‌شود (اثر کرکندال).

از آنجایی که الکترودیفیوژن یک فرآیند فعال سازی است، به طور قابل توجهی به وضعیت سطح مرز دانه بستگی دارد. کاهش وسعت مرزها با افزایش اندازه دانه ها و انتخاب یک ماده پوشش محافظ می تواند انرژی فعال سازی و در نتیجه زمان بین خرابی ها را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. با افزودن ناخالصی های مس، منیزیم، کروم و اکسید آلومینیوم به آلومینیوم می توان به افزایش قابل توجهی در زمان بین خرابی ها دست یافت.

پس از اعمال فیلم A1 و به دست آوردن پیکربندی مورد نیاز مسیرهای حامل جریان، A1 در دمای 500-550 درجه سانتیگراد به سیلیکون ذوب می شود تا یک تماس با مقاومت کم به دست آید. مهاجرت سیلیکون اضافی در مسیرهای فعلی مجاور بسترهای تماس باعث لایه برداری A1 و خرابی IC می شود. برای جلوگیری از این امر لازم است در هنگام تبخیر A1 حدود 2 وزن وارد آن شود. % سیلیکون افزودن سیلیکون به پدهای تماسی از A1 باعث کاهش مهاجرت سیلیکون از لایه امیتر کم عمق (حدود 1 میکرومتر) می شود که به طور قابل توجهی عملکرد آی سی را در ترانزیستورهای دوقطبی افزایش می دهد و از اتصال کوتاه اتصالات امیتر کم عمق در آی سی جلوگیری می کند. . برای جلوگیری از مهاجرت سیلیکون به لایه A1، می توان از یک فیلم تیتانیوم به عنوان لایه میانی استفاده کرد. استفاده از روش ایجاد کنتاکت های اهمی با زیرلایه تیتانیوم در آی سی های سریع الاثر باعث شد تا زمان بین خرابی ها تا 20 برابر افزایش یابد. علاوه بر تیتانیوم، می توان از یک لایه زیرین پلاتین یا پالادیوم برای تشکیل سیلیسید پلاتین یا سیلیسید پالادیوم استفاده کرد.

در کنار مزایای ذکر شده قبلی، متالیزاسیون آلومینیوم دارای معایب قابل توجهی نیز می باشد که مهمترین آنها به شرح زیر است:

انرژی فعال سازی کم اتم های A1، باعث مهاجرت الکتریکی در چگالی جریان تقریباً 106 A/cm2 و دماهای بالا می شود و در نتیجه حفره هایی در لایه ها ظاهر می شود.

امکان اتصال کوتاه از طریق دی الکتریک در سیستم های متالیزاسیون چند سطحی به دلیل ایجاد برآمدگی های تیز بر روی تف ​​در نتیجه مهاجرت الکتریکی و تبلور مجدد A1.

خطر خوردگی گالوانیکی Al هنگام استفاده همزمان از فلزات دیگر. سرعت انتشار بالای A1 در امتداد مرزهای دانه، که اجازه استفاده از دستگاه‌های با متالیزاسیون A1 را در دمای بالاتر از 500 درجه سانتیگراد نمی‌دهد.

برهمکنش شدید شیمیایی A1 با دی اکسید سیلیکون در دمای حدود 500 درجه سانتیگراد.

نقطه ذوب پایین در یوتکتیک سیستم های آلومینیوم-سیلیکون حدود 577 درجه سانتیگراد است.

اختلاف زیاد (6 برابر) بین ضرایب انبساط حرارتی A1 و 51.

نرمی A1 و در نتیجه مقاومت مکانیکی پایین فیلم ها.

عدم امکان اتصال سرنخ ها با لحیم کاری؛

ولتاژ آستانه بالا در سازه های MOS به دلیل عملکرد بالای کار.

با توجه به معایب ذکر شده، متالیزاسیون آلومینیوم در آی سی ها و ترانزیستورهای با اتصالات قطره چکان کوچک و همچنین در آی سی های MIS برای ایجاد الکترودهای گیت استفاده نمی شود. برای این منظور از سیستم های تک لایه و چند لایه ساخته شده از فلزات مختلف (از جمله A1 برای لایه رویی) استفاده می شود. مناسب ترین مواد تنگستن و مولیبدن هستند. به طور خاص، تنگستن تقریباً همان TCR سیلیکون دارد، رسانایی اهمی خوب با سیلیکون و n-نوع رسانایی، اختلاف کمی (2.5 برابر) با آلومینیوم در رسانایی الکتریکی، بالاترین انرژی فعال سازی در بین تمام فلزات در طول خود انتشار، بالا. ذوب دمایی یوتکتیک با سیلیکون، بی اثر بودن شیمیایی در هوا و محلول آبی اسید هیدروفلوئوریک و همچنین سختی بالا که امکان ایجاد خراش روی فیلم را از بین می برد.

با توجه به مقاومت دمایی بالای W می توان از آن برای متالیزاسیون چند لایه توسط لایه های متناوب دی اکسید سیلیکون با W استفاده کرد. در طی عملیات حرارتی هیچ تپه ای روی سطح فیلم ایجاد نمی شود و خطر اتصال کوتاه بین آن وجود ندارد. مسیرهای حامل جریان در متالیزاسیون چند لایه علاوه بر این، فیلم‌های W (و همچنین فیلم‌های Mo) یک مانع متالورژیکی هستند که از تشکیل ساختار بین بلوری سیلیکون و آلومینیوم جلوگیری می‌کنند.

عیب متالیزاسیون W دشواری به دست آوردن فیلم ها (که معمولاً از هگزوفلوورید تنگستن برای آن استفاده می شود) و اچ کردن آنها (در محلول قلیایی فروسیانید) است. هر دوی این فرآیندها پیچیده هستند و شامل مواد سمی هستند. علاوه بر این، اتصال مستقیم سیم‌های خارجی به تنگستن غیرممکن است، بنابراین مقداری فلز دیگر (Pt، Ni، Au، Cu، Al و غیره) در بالای آن به لنت‌های تماس اعمال می‌شود.

در ساخت آی سی های مایکروویو، آی سی های با کاربرد خاص و همچنین در فناوری هیبریدی از متالیزاسیون متشکل از چندین لایه فلزات نازک استفاده می شود. در این حالت معمولاً لایه اول (پایین) فلز باید هم به سیلیکون و هم به دی اکسید سیلیکون چسبندگی بالایی داشته باشد و در عین حال دارای ضریب حلالیت و انتشار کم در این مواد باشد. این الزامات توسط فلزاتی مانند کروم، تیتانیوم، مولیبدن و سیلیسید پلاتین برآورده می شود. با متالیزاسیون دو لایه، لایه دوم (بالایی) فلز باید رسانایی الکتریکی بالایی داشته باشد و از جوشکاری سیم به آن اطمینان حاصل کند. با این حال، در برخی از سیستم ها (مانند Cr-Au، Ti-Au یا Cr-Cu) مخاطبین

در طی عملیات حرارتی، در نتیجه تشکیل ترکیبات بین فلزی در مرزهای خود، استحکام مکانیکی خود را از دست می دهند. علاوه بر این، فلز پوشاننده از طریق لایه زیرین به داخل سیلیکون پخش می شود که باعث کاهش استحکام مکانیکی اتصال و تغییر مقاومت تماس می شود. برای از بین بردن این پدیده معمولاً از لایه سوم فلز استفاده می شود که مانعی است که از برهم کنش لایه متالیزاسیون بالایی با سیلیکون جلوگیری می کند. به عنوان مثال، در سیستم سه گانه Tt-Pl-Au که در ساخت پایانه های تیر استفاده می شود، لایه

برنج. 1. طرحی از فرآیند تولید متالیزاسیون دو سطحی در سیستم A1-A1rOz-A1. لایه نازک یکپارچه میکروالکترونیک

الف- اعمال لایه های ضخیم و نازک اکسید سیلیکون قبل از متالیزاسیون (منطقه تماس اهمی نشان داده شده است). ب - استفاده از آلومینیوم، تشکیل سطح اول. ج - حکاکی نوری سطح اول فلز. د - آندایز کردن سطح اول متالیزاسیون با ماسک مقاوم به نور؛ ه - استفاده از آلومینیوم تشکیل دهنده سطح دوم؛ f - حکاکی نوری سطح دوم متالیزاسیون.

پلاتین با ضخامت حدود 5X10-2 میکرومتر به عنوان مانعی در برابر انتشار A1 به S1 عمل می کند. علاوه بر این، برای پایانه های پرتو در آی سی های MIS، از سیستم های Cr-Ag-Au، Cr-Ag-Pt، Pd-Ag-Au استفاده می شود که در آن یک فیلم نقره ای نقش یک مانع را ایفا می کند. برای آی سی های هیبریدی و خطوط آی سی مایکروویو نواری، از سیستم های Cr-Cu و Cr-Cu-Cr استفاده می شود.

افزایش چگالی عناصر روی یک تراشه مستلزم استفاده از متالیزاسیون چند سطحی بود. در شکل شکل 1 توالی ساخت متالیزاسیون دو سطحی را در سیستم A1-A120z-A1 نشان می‌دهد که در دستگاه‌های کوپل شده شارژ استفاده می‌شود.

یک ماده عایق نسبتاً جدید برای متالیزاسیون چند سطحی پلی آمید است که با آن متالیزاسیون پنج سطحی LSI ها روی ترانزیستورهای MOS به دست می آید.

3. عوامل موثر بر خواص لایه های نازک

رشد یک ماده روی یک زیرلایه از ماده دیگر یک فرآیند بسیار پیچیده است که بستگی به تعداد زیادی از پارامترهای دشوار کنترل دارد: ساختار بستر، وضعیت سطح آن، دما، خواص ماده تبخیر شده. و میزان رسوب آن، مواد و طراحی اواپراتور، درجه خلاء، ترکیب محیط باقیمانده و تعدادی دیگر. روی میز شکل 1 رابطه بین خواص فیلم ها و شرایط رسوب آنها را نشان می دهد.

بسته به شرایط رسوب‌گذاری خاص، فیلم‌های یک ماده ممکن است ویژگی‌های ساختاری اصلی زیر را داشته باشند: ساختار آمورف، که با عدم وجود شبکه کریستالی مشخص می‌شود. ساختار کلوئیدی (ریزدانه) که با وجود کریستال های بسیار کوچک (کمتر از 10 تا 2 میکرومتر) مشخص می شود. ساختار دانه ای (درشت دانه) با کریستال های بزرگ (10-1 میکرومتر یا بیشتر). ساختار تک کریستالی، زمانی که کل فیلم یک شبکه کریستالی پیوسته از اتم های یک ماده معین است.

4. بسترها

مواد مورد استفاده برای ساخت بسترها باید دارای ترکیبی همگن، سطح صاف (با درجه تکمیلی 12-14)، دارای استحکام الکتریکی و مکانیکی بالا، از نظر شیمیایی بی اثر، دارای مقاومت حرارتی و هدایت حرارتی بالا، ضریب انبساط حرارتی باشد. مواد بستر و فیلم رسوب‌شده باید از نظر ارزش نزدیک باشند. کاملاً واضح است که تقریباً غیرممکن است که موادی را برای بسترهایی انتخاب کنید که به طور یکسان تمام الزامات ذکر شده را برآورده کنند.

به عنوان بستر برای آی سی های هیبریدی، من از سرامیک های شیشه-سرامیک، فتوسیتال، با آلومینا بالا و بریلیم، شیشه، پلی کور، پلی آمید و همچنین فلزات پوشش داده شده با یک فیلم دی الکتریک استفاده می کنم.

سیتال ها مواد شیشه ای-سرامیکی هستند که از عملیات حرارتی (کریستالیزاسیون) شیشه به دست می آیند. اکثر شیشه سرامیک ها در سیستم های Li2O-Al2O3-SiO2-TiO2 و RO-Al2O3-SiO2-TiO2 (نوع CO CaO، MgO، BaO) به دست آمدند.

بر خلاف اکثر مواد کریستالی مقاوم و نسوز، شیشه-سرامیک در طول شکل گیری انعطاف پذیری خوبی دارد. می توان آن را فشار داد، کشید، نورد کرد و به صورت گریز از مرکز ریخته گری کرد و می تواند تغییرات ناگهانی دما را تحمل کند. دارای تلفات دی الکتریک کم است، استحکام الکتریکی آن کمتر از بهترین انواع سرامیک خلاء نیست و استحکام مکانیکی آن 2-3 برابر قوی تر از شیشه است. سیتال غیر متخلخل، گازدار است و در دماهای بالا تکامل گاز ناچیزی دارد.

از آنجایی که شیشه سرامیک ها از نظر ساختاری چند فازی هستند، هنگامی که در معرض مواد شیمیایی مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، به عنوان مثال، برای تمیز کردن سطح زیرلایه از آلاینده ها، اچ کردن عمیق انتخابی فازهای جداگانه امکان پذیر است که منجر به ایجاد یک تسکین تیز و عمیق می شود. روی سطح زیرلایه وجود ناهمواری در سطح زیرلایه باعث کاهش تکرارپذیری پارامترها و قابلیت اطمینان مقاومت ها و خازن های لایه نازک می شود. بنابراین برای کاهش ارتفاع و صاف کردن لبه های ریز بی نظمی ها، گاهی از یک لایه پرایمر از ماده ای با خواص دی الکتریک و چسبندگی خوب و همچنین ساختار یکنواخت (مثلاً یک لایه مونوکسید سیلیکون ضخامت چند میکرون) استفاده می شود. به بستر

از شیشه ها، شیشه های سیلیکات آمورف، شیشه C48-3 بدون قلیایی، شیشه بوروسیلیکات و کوارتز به عنوان زیرلایه استفاده می شود. شیشه های سیلیکات از مذاب مایع اکسیدها با فوق سرد کردن آنها به دست می آیند، در نتیجه ساختار مایع حفظ می شود، یعنی حالت آمورف مشخصه. اگرچه شیشه ها دارای مناطقی با فاز کریستالی - کریستالیت ها هستند، اما به طور تصادفی در کل ساختار توزیع می شوند، بخش کوچکی از حجم را اشغال می کنند و تأثیر قابل توجهی بر ماهیت آمورف شیشه ندارند.

شیشه کوارتز یک شیشه سیلیکات یک جزئی است که تقریباً به طور کامل از سیلیکون تشکیل شده و از ذوب انواع طبیعی آن به دست می آید. ضریب انبساط حرارتی بسیار پایینی دارد که مقاومت فوق العاده بالای آن در برابر حرارت را تعیین می کند. در مقایسه با شیشه های دیگر، شیشه کوارتز نسبت به عمل اکثر معرف های شیمیایی بی اثر است. اسیدهای آلی و معدنی (به استثنای اسیدهای هیدروفلوئوریک و فسفریک) با هر غلظتی، حتی در دماهای بالا، تقریباً هیچ تأثیری بر شیشه کوارتز ندارند.

بسترهای سرامیکی به دلیل تخلخل زیاد، کاربرد محدودی دارند. از مزایای این زیرلایه ها می توان به استحکام بالا و هدایت حرارتی اشاره کرد. به عنوان مثال، یک بستر سرامیکی مبتنی بر BeO 200-250 برابر رسانایی حرارتی بالاتری نسبت به شیشه دارد، بنابراین در شرایط حرارتی شدید، استفاده از سرامیک بریلیوم توصیه می شود. علاوه بر سرامیک های بریلیوم، سرامیک های با آلومینا بالا (94% Al2Oz)، اکسید آلومینیوم متراکم، سرامیک های استاتیت و سرامیک های لعابدار بر پایه اکسید آلومینیوم استفاده می شود. لازم به ذکر است که لعاب ها کمتر از 100 میکرون ضخامت دارند و بنابراین مانع قابل توجهی بین فیلم و زیرلایه در سطوح توان کم ایجاد نمی کنند. ریز زبری سرامیک های تصفیه نشده صدها برابر بیشتر از شیشه است و به چندین هزار آنگستروم می رسد. آنها را می توان به طور قابل توجهی با پرداخت کاهش داد، اما این به طور قابل توجهی سطح سرامیکی را آلوده می کند.

وجود آلاینده ها بر روی بستر تاثیر قابل توجهی بر روی چسبندگی و خواص الکتریکی فیلم ها دارد. بنابراین، قبل از رسوب، لازم است بسترها به طور کامل تمیز شوند و همچنین از آنها در برابر احتمال ظاهر شدن لایه های روغنی که می تواند در نتیجه مهاجرت بخارات سیال کار از پمپ ها ایجاد شود محافظت شود. یک روش تمیز کردن موثر، بمباران یونی سطح بستر در پلاسمای تخلیه درخشان است. برای این منظور معمولاً در محفظه کاری یک تاسیسات خلاء الکترودهای مخصوصی در نظر گرفته می شود که ولتاژ چند کیلو ولتی از منبع فشار قوی کم توان به آنها تامین می شود. الکترودها اغلب از آلومینیوم ساخته می شوند زیرا کمترین سرعت کندوپاش کاتدی را در بین فلزات دارند.

باید در نظر داشت که حتی آلودگی جزئی نیز می تواند شرایط رشد فیلم را کاملاً تغییر دهد. اگر آلاینده ها به شکل جزایر کوچک جدا شده از یکدیگر روی بستر قرار داشته باشند، بسته به اینکه انرژی اتصال بیشتر باشد: بین ماده فیلم و ماده آلاینده یا بین ماده فیلم و زیرلایه، یک لایه می تواند بر روی آن تشکیل شود. این جزایر یا بر روی قسمتهای خالی از بستر.

چسبندگی فیلم تا حد زیادی به وجود یک لایه اکسید بستگی دارد که ممکن است در طی فرآیند رسوب گذاری بین فیلم و بستر ایجاد شود. چنین لایه اکسیدی برای مثال در هنگام رسوب آهن و نیکروم تشکیل می شود که چسبندگی خوب این فیلم ها را توضیح می دهد. فیلم های ساخته شده از طلا که در معرض اکسیداسیون نیستند، چسبندگی ضعیفی دارند و بنابراین باید یک زیرلایه میانی از یک ماده با چسبندگی بالا بین طلا و زیرلایه ایجاد شود. مطلوب است که لایه اکسید حاصل بین فیلم و بستر متمرکز شود. اگر اکسید در سرتاسر فیلم پراکنده شود یا روی سطح آن قرار گیرد، خواص فیلم می تواند به طور قابل توجهی تغییر کند. تشکیل اکسیدها به شدت تحت تأثیر ترکیب گازهای باقیمانده در حجم کاری تاسیسات و به ویژه وجود بخار آب است.

5. مقاومت لایه نازک

مواد مورد استفاده در ساخت فیلم های مقاومتی باید توانایی به دست آوردن طیف وسیعی از مقاومت های پایدار در زمان با ضریب مقاومت دمایی پایین (TCR) را داشته باشند، دارای چسبندگی خوب، مقاومت در برابر خوردگی بالا و مقاومت در برابر قرار گرفتن طولانی مدت در برابر دماهای بالا باشند. هنگامی که مواد بر روی بستر قرار می گیرند، خطوط نازک و شفاف با پیکربندی پیچیده باید با تکرارپذیری خوب الگو از نمونه به نمونه تشکیل شود.

فیلم های مقاومتی اغلب دارای ساختار پراکنده ریزدانه هستند. وجود پراکندگی r، ساختار لایه ها اجازه می دهد تا در اولین تقریب، مقاومت الکتریکی آنها را به عنوان مقاومت کلی گرانول ها و موانع بین آنها در نظر بگیریم، که در آن ماهیت مقاومت کل، بزرگی و علامت TK را تعیین می کند. .S. بنابراین، به عنوان مثال، اگر مقاومت خود دانه ها غالب باشد، رسانایی فیلم ماهیت فلزی دارد و TCR مثبت خواهد بود. از طرف دیگر، اگر مقاومت به دلیل عبور الکترون ها از شکاف های بین دانه ها باشد (که معمولاً با ضخامت های فیلم کوچک رخ می دهد)، رسانایی ماهیت نیمه هادی خواهد داشت و TCR بر این اساس منفی خواهد بود.

در تولید آی سی یکپارچه اصولاً از مقاومت هایی با امپدانس بالا استفاده می شود. برای اینکه مقاومت ها تا حد امکان کوچک باشند، باید با وضوح و تلرانس مشابه سایر عناصر آی سی ساخته شوند. این استفاده از ماسک های فلزی رایگان برای به دست آوردن پیکربندی مورد نیاز مقاومت ها را حذف می کند و اجازه می دهد تا آن را فقط با استفاده از فوتولیتوگرافی انجام دهید.

هنگام ساخت IC های یکپارچه با توان میکرو با استفاده از فناوری ترکیبی، قرار دادن مقاومت های با مقاومت بالا با مقاومت تا چندین مگا اهم در سطح نسبتاً کوچکی از کریستال ضروری است که تنها در صورتی می توان به آن دست یافت که ماده مقاومت دارای Rs باشد. (10--20) kOhm/c. فرآیند ساخت مقاومت ها باید با فرآیند اصلی تکنولوژیکی ساخت کل آی سی سیلیکونی با استفاده از فناوری مسطح یا همپایی-مسطح ترکیب شود. به عنوان مثال، فیلم های مقاومتی نباید به حضور نیترید سیلیکون، فسفر، شیشه بوروسیلیکات و سایر مواد مورد استفاده در تولید آی سی های یکپارچه روی ویفر سیلیکونی حساس باشند. آنها باید دمای نسبتاً بالایی (500-550 درجه سانتیگراد) را که در طول فرآیند آب بندی IC رخ می دهد، تحمل کنند و در برخی موارد نباید خواص خود را تحت تأثیر یک محیط اکسید کننده تغییر دهند. آی سی های یکپارچه عمدتاً از نیکروم و تانتا برای ساخت مقاومت استفاده می کنند.

در ساخت آی سی های هیبریدی از طیف وسیع تری از مواد مقاومت لایه نازک استفاده می شود.

به عنوان فیلم های کم مقاومت با Rs از 10 تا 300 اهم. از فیلم های کروم، نیکروم و تی تال استفاده می شود. تولید فیلم‌های کروم با خواص الکتروفیزیکی قابل تکرار تا حدودی به دلیل توانایی آن در تشکیل ترکیبات (به‌ویژه آنهایی که اکسید) در تعامل با گازهای باقیمانده در طول تبخیر و رسوب می‌دهند، پیچیده است. مقاومت‌های مبتنی بر آلیاژ کروم نیکل (20% کروم و 80% نیکل) دارای ویژگی‌های پایداری قابل‌توجهی هستند. فیلم‌های تانتالیوم به دلیل وجود تغییرات ساختاری مختلف، طیف بسیار وسیعی از مقاومت‌های سطحی (از چند اهم بر ثانیه برای تانتالوم به چندین MOhm/s برای تانتالیوم با چگالی کم نیترید تانتالیوم نیز به عنوان یک ماده مقاومتی بسیار پایدار استفاده می شود.

گسترش قابل توجهی از درجه بندی مقاومت با استفاده از فیلم های فلزی-سرامیکی و فیلم های سیلیسیدهای برخی فلزات حاصل می شود.در این سیستم ها کروم بیشتر به عنوان فلز و اکسیدها، بوریدها، نیتریدها و سیلیسیدهای فلزات واسطه و همچنین استفاده می شود. اکسیدهای برخی از متالوئیدها به عنوان دی الکتریک استفاده می شود. فیلم های ساخته شده از دی سیلیسید کروم، و همچنین فیلم های ساخته شده از آلیاژ سیلیکون، کروم و نیکل، Rs تا 5 کیلو اهم بر ثانیه دارند. برای فیلم های مبتنی بر سیستم های کروم --- مونوکسید سیلیکون Rs، بسته به محتوای کروم، می تواند از واحد تا صدها اهم بر ثانیه متفاوت باشد.

6. خازن های لایه نازک

خازن های لایه نازک، با وجود سادگی ظاهری ساختار سه لایه، در مقایسه با سایر عناصر غیرفعال فیلم، پیچیده ترین و پر زحمت ترین هستند.

برخلاف مقاومت‌ها، پدها و سوئیچینگ‌ها که در ساخت آنها کافی است یک یا دو لایه (زیرلایه و لایه) رسوب داده شود، ساخت خازن‌های لایه نازک مستلزم رسوب حداقل سه لایه است: صفحه زیرین، فیلم دی الکتریک و صفحه بالایی (استفاده از صفحات بیشتر فرآیند ساخت خازن ها را پیچیده می کند و هزینه آنها را افزایش می دهد).

ماده ای که برای ساخت فیلم های دی الکتریک استفاده می شود باید چسبندگی خوبی به فلز مورد استفاده برای صفحات خازن داشته باشد، متراکم باشد و در معرض تخریب مکانیکی قرار نگیرد، دارای ولتاژ شکست بالا و تلفات دی الکتریک پایین، دارای دی الکتریک بالا باشد. ثابت است و در طی فرآیند تبخیر و رسوب تجزیه نمی شوند و حداقل رطوبت سنجی را دارند.

متداول ترین موادی که به عنوان دی الکتریک در خازن های فیلم استفاده می شوند مونوکسید سیلیکون (Si0) و مونوکسید ژرمانیوم (GeO) هستند. در سال های اخیر برای این منظور از شیشه های آلومینوسیلیکات، بوروسیلیکات و آنتی مونیدوژرمانیوم استفاده شده است.

امیدوار کننده ترین دی الکتریک ها ترکیبات شیشه ای مرکب هستند، زیرا آنها توانایی تغییر خواص الکتروفیزیکی، فیزیکوشیمیایی و ترمودینامیکی را در محدوده وسیعی با انتخاب ترکیب شیشه و اجرای ویژگی های حالت تجمعی سیستم های شیشه ای در فلز لایه نازک دارند. -ساختارهای دی الکتریک-فلزی

7. فیلم های تانتالیوم و ترکیبات آن

در سال های اخیر، فیلم های تانتالیوم و ترکیبات آن به طور فزاینده ای در ساخت عناصر فیلم مدارهای مجتمع گسترش یافته است. انتخاب تانتالیوم به عنوان ماده اولیه تا حد زیادی با این واقعیت توضیح داده می شود که بسته به شرایط برای به دست آوردن فیلم های تالالوم، آنها می توانند ساختار متفاوتی داشته باشند و بر این اساس، مقاومت و ضریب دمایی آن را در محدوده وسیعی تغییر دهند.

از نظر ساختار کریستالی و خواص الکتریکی، فیلم‌های b-تانتالوم به نمونه حجیم نزدیک‌ترین هستند؛ آنها ساختاری درشت کریستالی و بدنه محور دارند و مقاومت نسبتاً کمی دارند (20-40 μOhm-cm). بر خلاف k-تانتالوم، p-تانتالوم، که دارای ساختار چهارضلعی ریز کریستالی و مقاومت 160-200 کیلومتر اهم * سانتی متر است، در نمونه های عظیم یافت نمی شود. این تغییر ناپایدار تانتالیوم تنها مشخصه لایه های نازک است.

تولید فیلم‌های تانتالیوم b و c معمولاً با کندوپاش کاتدی در ولتاژ 4-5 کیلو ولت و چگالی جریان 0.1--1 mA/cm2 انجام می‌شود. اگر ولتاژ را کاهش دهید و فشار آرگون را افزایش ندهید، جریان تخلیه کاهش می یابد که منجر به کاهش قابل توجهی در نرخ رسوب می شود. این باعث تولید لایه‌هایی با چگالی کم، دارای ساختار بسیار متخلخل با اندازه‌های منافذ (4-7)-10-3 میکرومتر، متشکل از تعداد بیشتری دانه‌های k- یا p-تانتالوم با اندازه‌های کریستالی (3--5) می‌شود. ) * 10-2 میکرومتر. تخلخل بالای لایه ها و ظاهر سیستم مخلوط فلز-دی الکتریک باعث افزایش غیرعادی مقاومت (حدود 200 برابر در مقایسه با b-tantalum) و تغییر در ضریب دمایی آن می شود. اگر نیتروژن به مقدار قابل توجهی بیشتر از پس‌زمینه گازهای باقیمانده به آرگون اضافه شود، می‌توان فیلم‌های نیترید تانتالیوم را با دو حالت پایدار Ta2N و TaN با ساختارهای کریستالی و خواص الکتریکی متفاوت به دست آورد.

وجود چندین اصلاح تانتالیوم (ب و ب تانتالیوم، تانتالیم با چگالی کم) و نیترید آن، انتخاب انواع راه حل های توپولوژیکی را هنگام طراحی قسمت غیرفعال ریزمدارها ممکن می سازد.

b-تانتالوم خالص به دلیل تنش های مکانیکی زیاد در فیلم و چسبندگی ضعیف به زیرلایه، کاربرد گسترده ای در ساخت عناصر RC میکرو مدارها پیدا نکرده است؛ b-تانتالوم برای ساخت صفحات پایینی خازن ها و تا حدی استفاده می شود. برای تولید مقاومت برای ساخت مقاومت از نیترید تانتالیوم و تانتالیوم با چگالی کم استفاده می شود. ارزش عملی تانتالیوم با چگالی کم در توانایی به دست آوردن مقاومت های لایه نازک بسیار پایدار (از 10 کیلو اهم تا چندین مگا اهم) است که اندازه کوچک و پیکربندی ساده دارند. خازن های لایه نازک را می توان بسیار راحت تر از تانتالیوم با چگالی کم ساخت، زیرا در این مورد، الکترود بالایی و همچنین پایینی را می توان با کندوپاش کردن تانتالیوم به دست آورد، در حالی که هنگام استفاده از تانتالیوم با چگالی معمولی، سعی می شود تا قسمت بالایی را بدست آورد. الکترود در این روش اغلب منجر به آسیب به لایه دی الکتریک می شود. علاوه بر این، تانتالیوم با چگالی کم امکان تولید مدارهای RC با پارامترهای توزیع شده و مقدار مقاومت قابل تنظیم را فراهم می کند که می تواند به عنوان الکترود بالایی یک خازن استفاده شود.

پنتوکسید تانتالیوم (Ta2O5) که از طریق آنودیزاسیون الکترولیتی یا پلاسما به دست می آید، تلفات دی الکتریک کمی دارد و می تواند هم به عنوان دی الکتریک برای خازن و هم به عنوان عایق یا لایه محافظ برای مقاومت استفاده شود. علاوه بر این، از آندایزینگ می توان برای تنظیم دقیق مقادیر خازن ها و مقاومت ها استفاده کرد. استفاده از حکاکی یونی و همچنین حلالیت نیترید تانتالیوم، تانتالیوم خالص و اکسیدهای آن در اچ‌کننده‌های مختلف، امکان استفاده از روش‌های متنوعی را برای به دست آوردن پیکربندی مورد نیاز ریزمدارها فراهم می‌کند.

بنابراین، بر اساس تانتالیوم، می توان از تولید گروهی عناصر غیرفعال (مقاومت ها، خازن ها، هادی های اتصال و پدهای تماس) با پارامترهای متمرکز و توزیع شده اطمینان حاصل کرد که از نظر پیچیدگی کمتر از عناصر ساخته شده بر اساس سایر موارد نیستند. مواد، اما در عین حال دقت، ثبات و قابلیت اطمینان بیشتری دارند. تطبیق پذیری تانتالیوم و عدم نیاز به استفاده از مواد دیگر نشان می دهد که اکثریت قریب به اتفاق عناصر IC غیرفعال را می توان بر اساس "تکنولوژی تانتالیوم" تولید کرد.

نتیجه

مرحله فعلی توسعه الکترونیک یکپارچه با تمایل به افزایش بیشتر فرکانس های عملیاتی و کاهش زمان سوئیچینگ، افزایش قابلیت اطمینان و کاهش هزینه های مواد و فرآیند تولید IC مشخص می شود.

کاهش هزینه مدارهای مجتمع مستلزم توسعه اصول کیفی جدید برای ساخت آنها با استفاده از فرآیندهای مبتنی بر پدیده های فیزیکی و شیمیایی مشابه است که از یک سو، پیش نیازی برای ادغام بعدی عملیات تکنولوژیکی همگن چرخه تولید است و از سوی دیگر، توانایی اساسی برای کنترل تمام عملیات از طریق یک کامپیوتر را باز می کند. نیاز به تغییرات کیفی در فناوری و تجهیز مجدد فنی صنعت نیز با انتقال به مرحله بعدی توسعه میکروالکترونیک - الکترونیک عملکردی، که مبتنی بر پدیده های نوری، مغناطیسی، سطح و پلاسما، انتقال فاز، الکترون است، دیکته می شود. فعل و انفعالات فونون، اثرات انباشتگی و انتقال بار و غیره.

معیار "پیشرفت" فرآیند فن آوری، همراه با بهبود پارامترها و ویژگی های خود محصول، بازده اقتصادی بالا است که توسط تعدادی از معیارهای خصوصی و مرتبط تعیین می شود که امکان ساخت مجموعه های کاملاً خودکار را تضمین می کند. ، تجهیزات با کارایی بالا با عمر طولانی.

مهمترین معیارهای خاص عبارتند از:

جهانی بودن، یعنی توانایی انجام کل (یا تعداد زیادی از عملیات) چرخه تولید با استفاده از همان روش های تکنولوژیکی؛

تداوم، که پیش نیازی برای ادغام بعدی (ترکیب) تعدادی از عملیات تکنولوژیکی چرخه تولید، همراه با امکان استفاده از پردازش گروهی همزمان تعداد قابل توجهی از محصولات یا محصولات نیمه تمام است.

سرعت بالای تمام عملیات اصلی فرآیند فناوری یا امکان تشدید آنها، به عنوان مثال، در نتیجه قرار گرفتن در معرض میدان های الکتریکی و مغناطیسی، تابش لیزر و غیره.

تکرارپذیری پارامترها در هر عملیات و درصد بالای بازده هر دو محصول نیمه تمام و مناسب.

قابلیت ساخت طرح یک محصول یا محصول نیمه تمام که الزامات تولید خودکار (امکان بارگیری خودکار، پایه گذاری، نصب، مونتاژ و غیره) را برآورده می کند، که باید در سادگی فرم و همچنین محدود منعکس شود. تحمل برای ابعاد کلی و اساسی؛

رسمی‌سازی، یعنی امکان ترسیم (بر اساس وابستگی‌های تحلیلی پارامترهای محصول به پارامترهای فرآیند فن‌آوری) یک توصیف ریاضی (الگوریتم) هر عملیات فن‌آوری و کنترل بعدی کل فرآیند فناوری با استفاده از رایانه.

سازگاری (سرزندگی) فرآیند، یعنی توانایی وجود برای مدت طولانی در شرایط ظهور و توسعه مداوم فرآیندهای رقابتی جدید و توانایی بازسازی سریع تجهیزات برای تولید انواع جدید محصولات بدون هزینه های سرمایه ای قابل توجه.

اکثر معیارهای ذکر شده توسط فرآیندهایی که از پدیده های الکترونیکی و یونی رخ می دهد در خلاء و گازهای کمیاب برآورده می شوند که با کمک آنها می توان تولید کرد:

پاشش یونی فلزات، آلیاژها، دی الکتریک ها و نیمه هادی ها به منظور به دست آوردن فیلم هایی با ضخامت ها و ترکیبات مختلف، اتصالات متقابل، ساختارهای خازنی، عایق بین لایه ای، سیم کشی بین لایه ای.

حکاکی یونی فلزات، آلیاژها، نیمه هادی ها و دی الکتریک ها به منظور حذف نواحی موضعی فردی هنگام به دست آوردن پیکربندی IC.

آندایز کردن پلاسما برای به دست آوردن فیلم های اکسیدی.

پلیمریزاسیون لایه های آلی در نواحی تابش شده با الکترون برای به دست آوردن لایه های عایق آلی.

تمیز کردن و صیقل دادن سطح زیرلایه ها؛

رشد تک کریستال ها؛

تبخیر مواد (از جمله مواد نسوز) و تبلور مجدد فیلم ها.

میکرو آسیاب فیلم ها؛

میکرو جوش و لحیم کاری میکرو برای اتصال سیم های آی سی و همچنین آب بندی محفظه ها.

روش های غیر تماسی برای نظارت بر پارامترهای IC.

اشتراک پدیده های فیزیکی و شیمیایی که فرآیندهای فهرست شده بر آن ها مبتنی است، امکان اساسی ادغام بعدی آنها را به منظور ایجاد یک پایه فناوری جدید برای تولید خودکار مدارهای مجتمع و دستگاه های الکترونیکی کاربردی با کارایی بالا نشان می دهد.

ارسال شده در Allbest.ru

اسناد مشابه

پیشینه تاریخی مختصر در مورد توسعه مدارهای مجتمع دانشمندان آمریکایی و شوروی که سهم زیادی در توسعه و توسعه بیشتر مدارهای مجتمع داشتند. مشتریان و مصرف کنندگان اولین پیشرفت های میکروالکترونیک و TS R12-2.

چکیده، اضافه شده در 2013/01/26


ایجاد مدارهای مجتمع و توسعه میکروالکترونیک در سراسر جهان. تولید المان تجهیزات الکترونیکی ارزان قیمت. گروه های اصلی مدارهای مجتمع ایجاد اولین مدار مجتمع توسط کیلبی. اولین مدارهای مجتمع نیمه هادی در اتحاد جماهیر شوروی.

چکیده، اضافه شده در 2013/01/22


اطلاعات فنی مختصر در مورد محصول KR1095 PP1، هدف از ورودی و خروجی، فرآیند ساخت. نقش اتصال متالیزاسیون در تولید سیستم های یکپارچه و مکانیسم های خرابی در نتیجه مهاجرت الکتریکی توسعه سیستم های مگنترون

پایان نامه، اضافه شده در 2009/05/25


توپولوژی و عناصر یک ترانزیستور MOS با دیود شاتکی. توالی عملیات تکنولوژیکی تولید آن. توسعه یک فرآیند تکنولوژیکی برای ساخت مدارهای مجتمع نیمه هادی. ویژگی های مواد و معرف های مورد استفاده.

کار دوره، اضافه شده در 12/06/2012


اصل عملکرد دیودهای نیمه هادی، خواص اتصالات p-n، انتشار و تشکیل یک لایه مسدود کننده. استفاده از دیودها به عنوان یکسو کننده جریان، خواص و کاربردهای ترانزیستورها. طبقه بندی و تکنولوژی ساخت مدارهای مجتمع

ارائه، اضافه شده در 2010/05/29


مشکلات ساختاری شرایط حرارتی فیلم های فلزی مدارهای مجتمع نیمه هادی بدون بسته: نمودار گرمایش و محاسبه قابلیت اطمینان طراحی اولیه. میزان شکست طراحی و ساختار هادی متالیزاسیون.

چکیده، اضافه شده در 1388/06/13


خواص الکتروفیزیکی مواد نیمه هادی، استفاده از آنها برای ساخت دستگاه های نیمه هادی و دستگاه های میکروالکترونیک. مبانی نظریه نوار جامدات. نوارهای انرژی نیمه هادی ها مبانی فیزیکی نانوالکترونیک

کار دوره، اضافه شده در 2016/03/28


تجزیه و تحلیل فناوری ساخت بردهای مدار مجتمع نیمه هادی - این نوع ریز مدارها که عناصر آن در لایه نزدیک به سطح زیرلایه نیمه هادی ساخته می شوند. ویژگی های سیلیکون تک کریستالی رشد تک کریستال ها

کار دوره، اضافه شده در 12/03/2010


قابلیت اطمینان قطعات الکترونیکی، شکست تونل در آنها و روش های تعیین آن. قابلیت اطمینان متالیزاسیون و تماس های مدارهای مجتمع، پارامترهای قابلیت اطمینان آنها. مکانیسم خرابی های تصادفی دیودها و ترانزیستورهای دوقطبی مدارهای مجتمع

چکیده، اضافه شده در 12/10/2009


Planarization یک فرآیند در دمای پایین است که در آن سطح برجسته صفحه صاف می شود. عیوب متالیزاسیون دو سطحی. هدف از لایه های رسانا در متالیزاسیون چند لایه ماژول های چند تراشه ای نوع MKM-D و MKM-A، ویژگی ها.