A mikroelektronika fizikai alapjai. A mikroelektronika fizikai alapjai, jegyzetek Gunn diódákon alapuló generátorok tervezése és paraméterei

Sarapul Polytechnic Institute (ág)

Állami oktatási intézmény

felsőfokú szakmai végzettség

"Izhevszki Állami Műszaki Egyetem"

Ciprus minisztériuma

Tanfolyami munka

Szakterület: A mikroelektronika fizikai alapjai.

A témában: Diszlokációk. Burgerek vektor. A diszlokáció hatása a tulajdonságokra

építőanyagok.

Kész: Ellenőrizve:

diák gr. 471 tanár

Volkov A.V. Ivannikov V.P.

Sarapul, 2010

Bevezetés................................................. .............................. 1

A diszlokáció típusai................................................ ........ ... ..2

Kontúr és hamburgerek vektor.................................2-3

Diszlokációs mozgás................................................ ... ...3-4

A diszlokáció sűrűsége................................................ ...4

Diszlokációra ható erő................................4-5

Diszlokációs energia................................................ ... ...5

A diszlokációk szaporodása és halmozódása................................5-6

Frank diszlokációk és halmozási hibák................6

A kristályok elmozdulásai és fizikai tulajdonságai.....7

Az erő függése a diszlokáció jelenlététől...7-8

Kristálynövekedés................................................ ..........8

Diszlokációk és elektromos vezetőképesség..................................8-9

Következtetés................................................. .....................10

Hivatkozások listája................................................ 11

Bevezetés

A diszlokációelmélet az 50-es években jelent meg. múlt században annak köszönhető, hogy az anyagok szilárdságára vonatkozó elméleti számítások jelentősen eltértek a gyakorlatiaktól.

A kristály elméleti nyírószilárdságát először Frenkel számította ki két atomsor egyszerű modellje alapján, amelyeket nyírófeszültség elmozdít. A síkközi távolság (a sorok közötti távolság) egyenlő A , és az atomok távolsága csúszási irányban egyenlő b . Nyírófeszültség alatt τ ezek az atomsorok egymáshoz képest elmozdulnak, és egyensúlyi helyzetbe kerülnek olyan pontokban, mint pl. A , BAN BEN És VAL VEL , D , ahol az adott nyírási konfigurációhoz szükséges nyírófeszültség nulla. Köztes helyzetekben a nyírófeszültségnek véges értékei vannak, amelyek periodikusan változnak a rács térfogatában. Vegyük fel a nyírófeszültséget τ az eltolás függvénye lesz x időszakkal b :

Kisebb eltolásokhoz:

Hooke törvényét használva:

, (1.3)

ahol G a nyírási modulus, és – nyírási alakváltozás, keresse meg az arányossági együtthatót Nak nek :

Ennek az értéknek a helyettesítése Nak nek az (1.1)-ben a következőket kapjuk:

Maximális érték τ , amely megfelel annak a feszültségnek, amelyen a rács instabil állapotba kerül:

Elfogadható a ≈ b , akkor a nyírófeszültség

A különféle anyagok így számított elméleti nyírófeszültségei a gyakorlati értékekhez képest lényegesen nagyobbnak bizonyultak. Tehát a rézre

eszmei érték

Az elméleti és gyakorlati eredmények közötti erős eltérés miatt a kristályban mikroszkopikus lineáris hibák és diszlokációk jelenlétét feltételezték.

A diszlokációk a kristály két része közötti elmozdulási folytonossági zavarok, amelyek közül az egyik elmozdul, a másik pedig nem. Így a deformációt a diszlokációk egymás utáni áthaladása jelenti a csúszási sík mentén, és nem az egyidejű nyírás a kristályban.

A diszlokációk típusai.

A diszlokációnak két fő típusa van: él és csavar.

1. Élelmozdulások.

Az éldiszlokációs modell úgy ábrázolható, hogy egy rugalmasan tömör test egy darabjában rést vágunk ABCD , amely a vonal mentén végződik AB ezen a darabon belül (1. ábra). Az egyik oldalon lévő anyag eltolódik, lépést hozva létre CDEF . Vonal A B , a rés végének megfelelő, a deformált és deformálatlan anyag határvonala, meghatározza azokat a pontokat, ahol a diszlokációs vonal kilép a test felületéből.

Fig.1 Fig.2

A 2. ábra egy élelmozdulás vizuális modelljét mutatja egyszerű köbös rácsban. Az élelmozdulást a B csúszási síkra merőleges A plusz félsík jelenléte okozza (2. ábra).

Az extra félsík lehet a csúszási sík felett (mint a 2. ábrán), akkor a diszlokációt pozitívnak nevezzük, ha a félsík alatta van, akkor negatív.

2. Csavarok elmozdulása:

A csavardiszlokáció modellje hasonló az éldiszlokációhoz, de a csavardiszlokáció iránya párhuzamos az AB egyenessel, ADEF lépés jön létre (3. ábra).

3. ábra Csavaros diszlokációs modell.

A hamburgerek körvonala és vektora:

A kristályok diszlokációinak leírására bemutatjuk a Burgers-kontúr és vektor fogalmát. A tökéletes rácsban megrajzolt kontúr egy olyan zárt téglalap, amelyben az utolsó megrajzolt vektor a 4. ábra kezdőpontjába kerül. A diszlokációt körülvevő kontúrnak van egy szakadása, és azt a vektort, amelyet a kontúr zárásához meg kell rajzolni, Burgers-vektornak, a megrajzolt kontúrt Burger-kontúrnak nevezzük. A Burgers vektor meghatározza a szakadás nagyságát és irányait, ez általában egy atomközi távolsággal egyenlő, és a diszlokáció teljes hosszában állandó, függetlenül attól, hogy iránya vagy helye változik-e. Egy tökéletes kristályban a Burgers vektor nulla. Élelmozdulású kristályban párhuzamos a csúszási iránnyal és megfelel az 5. ábra csúszási vektorának. Csavardiszlokációjú kristályban a csúszási síkra merőleges 6. ábra

Fig.4 Fig.5 Fig.6

Egy kristályban olyan diszlokációk is lehetségesek, amelyek teljesen a kristály belsejében helyezkednek el, és nem terjednek ki a felületére, mint a fentebb tárgyaltaknál. A kristályon belüli diszlokációk megszakíthatók más diszlokációknál, szemcsehatároknál és más interfészeknél. Ezért a kristályon belül diszlokációs hurkok vagy egymással összefüggő diszlokációk hálózatok lehetségesek. Az ilyen diszlokáció elválasztható a deformálatlan területtől egy gyűrű vagy hurok formájában kialakított diszlokációs vonallal, amelyet testnek a kristályba préselésével lehet elérni. A 7. ábra egy prizmás diszlokáció kialakulását mutatja be az ABCD terület feletti behúzással.

Abban a pontban, ahol három diszlokáció egyesül, a 7. ábra Burgers vektoraik a következő összefüggéssel kapcsolódnak egymáshoz:

Diszlokációs mozgás.

A diszlokációk fontos tulajdonsága, hogy képesek mozogni mechanikai igénybevétel hatására. A b Burgers vektorral rendelkező vegyes diszlokáció dl elemi szegmense mozogjon dz irányba. A kötet erre a három vektorra épült:

dV = (dz × dl) b, (1,8)

egyenlő a kristályban mozgó anyag térfogatával, amikor egy diszlokáció elmozdul. Ha V=0, akkor a diszlokáció mozgását nem kíséri tömegátadás vagy a kristály térfogatának változása. Ez egy konzervatív mozgás, vagy csúsztatás. Azon él- és vegyes diszlokációknál, amelyeknél a b Burgers vektor nem párhuzamos a dl diszlokációs egyenessel, a csúszás a b és dl vektorok által meghatározott síkban történik: az (1.8) kifejezés egyenlő nullával, ha dz ugyanabban a síkban van, mint a b és dl vektorok. Nyilvánvalóan egy él vagy vegyes diszlokáció csúszási síkja az a sík, amelyben a diszlokáció és a Burgers vektora található. A széldiszlokáció rendkívül mozgékony a saját csúszási síkjában. Az éldiszlokáció mozgása a diszlokációs vonal teljes hosszában szomszédos atomok egymás utáni fokozatos mozgásaként ábrázolható, amelyet ezen atomok közötti kötések újraeloszlása ​​kísér. Minden ilyen esemény után a diszlokáció egy interatomikus távolságot mozdít el. Ebben az esetben a diszlokációk mozgását okozó feszültség lényegesen kisebb, mint az anyag nyírófeszültsége. Az ilyen mozgás hatására a diszlokáció elérheti a kristály felszínét és eltűnhet. Így a kristály csúszási sík által elválasztott tartományai a diszlokáció feloldása után egy atomközi távolsággal eltolódnak (8. ábra).

Az Orosz Föderáció Oktatási Minisztériuma

Oryol Állami Műszaki Egyetem

Fizika Tanszék

ABSZTRAKT

témában: „A Gunn-effektus és felhasználása generátor üzemmódban működő diódákban.”

Szakterület: „A mikroelektronika fizikai alapjai”

A Senators D.G. 3-4 csoport diákja fejezte be.

Felügyelő:

Sas. 2000

A Gunn-effektus és felhasználása generátor üzemmódban működő diódákban.

A mikrohullámú rezgések erősítésére és generálására felhasználható az elektronsebesség anomális függése az elektromos térerősségtől egyes félvezető vegyületekben, elsősorban a gallium-arzenidben. Ebben az esetben a fő szerepet a félvezető nagy részében zajló folyamatok játsszák, nem pedig p - n-átmenet. Mikrohullámú rezgések generálása homogén GaAs mintákban n-típusú állandó elektromos térerősségnél, küszöbérték felett először J. Gunn figyelt meg 1963-ban (ezért az ilyen eszközöket Gunn-diódáknak nevezik). Az orosz irodalomban úgy is hívják térfogati instabilitással rendelkező eszközök vagy azzal intervalley elektrontranszfer, mivel a diódák aktív tulajdonságait az elektronok átmenete határozza meg a „központi” energiavölgyből az „oldalra”, ahol nagy effektív tömeg és alacsony mobilitás jellemzi őket. A külföldi szakirodalomban a vezetéknév a TED kifejezésnek felel meg ( Átvitt elektroneszköz).

Gyenge térben az elektronok mozgékonysága nagy, 6000-8500 cm 2 /(Vs). Ha a térerősség nagyobb, mint 3,5 kV/cm, egyes elektronok „oldalsó” völgybe való átmenete miatt az elektronok átlagos sodródási sebessége a térerő növekedésével csökken. A differenciális mobilitási modulus legmagasabb értéke a zuhanó szakaszon megközelítőleg háromszor alacsonyabb, mint a gyenge mezők mobilitása. 15-20 kV/cm feletti térerősségnél az átlagos elektronsebesség szinte független a tértől és körülbelül 10 7 cm/s, így az arány , és a sebesség-mező karakterisztikája megközelítőleg közelíthető az 1. ábrán látható módon. A negatív differenciális vezetőképesség (NDC) megállapításához szükséges idő a „központi” völgyben lévő elektrongáz melegítési idejének összege (~10-12 s GaAs esetén), amelyet az energiarelaxációs időállandó és az intervallum-átmeneti idő határoz meg. ~5–10–14 s).

Azt várnánk, hogy az NDC tartományban a karakterisztikának egy leeső szakaszának jelenléte az elektromos tér egyenletes eloszlásával az egyenletesen adalékolt GaAs minta mentén egy leeső szakasz megjelenéséhez vezetne a dióda áram-feszültség karakterisztikájában, mivel a diódán áthaladó konvekciós áram értéke , ahol ; -keresztmetszeti terület; – a minta hossza az érintkezők között. Ebben a részben a dióda negatív aktív vezetőképességgel rendelkezik, és az alagútdiódához hasonló rezgések generálására és erősítésére használható. A gyakorlatban azonban egy ilyen rezsim megvalósítása egy NDC-vel rendelkező félvezető anyag mintájában nehézkes a tér és a tértöltés instabilitása miatt. Amint az a 8.1. §-ból kiderült, a tértöltés ingadozása ebben az esetben a törvény szerint a tértöltés növekedéséhez vezet.

,

ahol a dielektromos relaxációs állandó; –az elektronok koncentrációja az eredetiben n-GaAs. Egy homogén mintában, amelyre állandó feszültséget kapcsolunk , az elektronkoncentráció helyi növekedése negatív töltésű réteg megjelenéséhez vezet (2. ábra), amely a minta mentén mozog a katódtól az anódig.

1. ábra. Az elektron sodródási sebességének hozzávetőleges függése az elektromos térerősségtől GaAs esetén.

2. ábra. Az egyenletesen adalékolt GaA-k akkumulációs réteg kialakulásának folyamatának magyarázata.

Katód alatt a mintával való érintkezést értjük, amelyre negatív potenciál vonatkozik. Az ebben az esetben fellépő belső elektromos mezőket egy állandó térre helyezzük, a rétegtől jobbra növelve, balra pedig csökkentve a térerőt (2. ábra, a). Az elektronok sebessége a rétegtől jobbra csökken, balra pedig nő. Ez a mozgó akkumulációs réteg további növekedéséhez és a mintában lévő mező megfelelő újraelosztásához vezet (2. ábra, b). Jellemzően a katódon egy tértöltési réteg magokat képez, mivel a katód ohmos érintkezésének közelében van egy megnövekedett elektronkoncentrációjú és alacsony elektromos térerősségű tartomány. Az anódérintkező közelében fellépő fluktuációknak az elektronok anód felé történő mozgása miatt nincs ideje kialakulni.

Az ilyen elektromos téreloszlás azonban instabil, és ha a mintában inhomogenitás mutatkozik koncentráció-, mobilitás- vagy hőmérsékletugrások formájában, akkor átalakulhat ún. erős mező tartomány. Az elektromos térerősséget az elektronkoncentrációhoz viszonyítjuk a Poisson-egyenlet segítségével, amely egydimenziós esetre a következő alakú

(1)

Az elektromos mező növekedése a minta egy részében egy tértöltés megjelenésével jár együtt ennek a területnek a határain, negatív a katód oldalon és pozitív az anód oldalon (3. ábra, a). Ebben az esetben a tartományon belüli elektronok sebessége az 1. ábra szerint csökken. A katód felőli elektronok ezen a területen felzárkóznak az elektronokhoz, aminek következtében a negatív töltés növekszik, és elektronban gazdag réteg képződik. Az anód oldali elektronok előrehaladnak, aminek következtében a pozitív töltés nő, és egy kimerült réteg keletkezik, amelyben. Ez a fluktuációs tartományban a mező további növekedéséhez vezet, ahogy a töltés az anód felé mozog, és a tértöltés dipólus tartományának kiterjedését. Ha a diódára adott feszültséget állandóan tartjuk, akkor a dipólus tartományának növekedésével a rajta kívüli mező csökken (3. ábra, b). A mező növekedése a tartományban megáll, amikor sebessége egyenlő lesz a tartományon kívüli elektronok sebességével. Ez nyilvánvaló . A tartományon kívüli elektromos térerősség (3. ábra, c) a küszöberősség alatt lesz, ami lehetetlenné teszi a doménen kívüli elektronok intervallum-átmenetét és egy másik tartomány kialakulását mindaddig, amíg a korábban kialakult tartomány el nem tűnik. anód. Stabil nagymezős tartomány kialakulása után a diódán áthaladó áram állandó marad a katódról az anódra való mozgás során.

3. ábra. A dipólus domén kialakulásának folyamatának magyarázata.

Miután a tartomány eltűnik az anódnál, a mintában a térerősség megnő, és amikor eléri a értéket, egy új tartomány kialakulása kezdődik. Ebben az esetben az áramerősség eléri a maximális értéket, amely megegyezik (4. ábra, c)

(2)

A Gunn-dióda ezen működési módját ún repülő üzemmód. Tranzit üzemmódban a diódán áthaladó áram impulzusokból áll, amelyeket egy periódus követ . A dióda mikrohullámú rezgéseket generál repülési frekvenciával , amelyet főként a minta hossza határoz meg, és gyengén függ a terheléstől (pontosan ezeket az oszcillációkat figyelte meg Gunn a GaAs és InP minták tanulmányozása során).

A Gunn-diódában az elektronikus folyamatokat figyelembe kell venni a Poisson-egyenletek, a folytonosság és a teljes áramsűrűség figyelembevételével, amelyek egydimenziós esetben a következő formájúak:

; (3)

. (4)

4. ábra. Egy Gunn-dióda generátor egyenértékű áramköre (a) és a Gunn-diódán átmenő feszültség (b) és áram időfüggése tranzit üzemmódban (c), valamint késleltetett (d) és tartomány csillapítású (e) üzemmódokban.

Pillanatnyi feszültség a diódán. A teljes áramerősség nem függ a koordinátától, és az idő függvénye. A diffúziós együtthatót gyakran az elektromos tértől függetlennek tekintik.

A dióda paramétereitől (az anyag adalékolási foka és profilja, a minta hossza és keresztmetszete, valamint hőmérséklete), valamint a tápfeszültségtől és a terhelési tulajdonságoktól függően a Gunn dióda, mikrohullámú generátorként és erősítőként többféle üzemmódban működhet: tartomány, korlátozó tértöltés-akkumuláció (ONZ, külföldi szakirodalomban LSA – Limited Space Charge Accumulation), hibrid, utazó hullámok tértöltés, negatív vezetőképesség.

Domain működési módok.

A Gunn-dióda tartományi működési módjait az jellemzi, hogy a mintában az oszcillációs periódus jelentős részében kialakult dipólus domén van jelen. A stacionárius dipól tartomány jellemzőit részletesen tárgyalja a [?], ahol látható, hogy az (1), (3) és (4)-ből az következik, hogy a tartomány sebessége és a benne lévő maximális térerősség összefügg egyenlő terület szabály

. (5)

Az (5) pontnak megfelelően az 5, a ábrán árnyékolt és vonalakkal határolt területek megegyeznek. Amint az ábrán látható, a tartományban a maximális térerősség jelentősen meghaladja a tartományon kívüli mezőt, és elérheti a több tíz kV/cm-t.

5. ábra. A dipólus tartomány paramétereinek meghatározására.

Az 5. b ábra a tartományfeszültség függését mutatja a rajta kívüli elektromos térerősségen, ahol a tartomány hossza (3. ábra, c). Ott egy adott feszültség melletti hosszúságú diódából egy „műszervonalat” építettek, figyelembe véve, hogy a diódán lévő teljes feszültség . Metszéspont A meghatározza a tartomány feszültségét és azon kívüli térerősségét. Szem előtt kell tartani, hogy a tartomány állandó feszültségen fordul elő , azonban akkor is létezhet, amikor a tartománynak az anód felé történő mozgása során a diódán lévő feszültség az értékre csökken (szaggatott vonal az 5. ábrán, b). Ha a diódán lévő feszültséget tovább csökkentjük úgy, hogy az kisebb lesz, mint a tartomány kioltási feszültsége, a keletkező tartomány feloldódik. A csillapítási feszültség annak a pillanatnak felel meg, amikor a „műszeregyenes” érinti az 5. ábrán látható vonalat, b.

Így a tartomány eltűnésének feszültsége kisebbnek bizonyul, mint a tartomány kialakulásának küszöbfeszültsége. Amint az 5. ábrán látható, a domén túlfeszültségének a tartományon kívüli térerősségtől való éles függése miatt a tartományon kívüli tér és a tartománysebesség alig változik, ha a diódán lévő feszültség változik. A többletfeszültséget főleg a tartományban veszik fel. Már at a tartománysebesség csak kismértékben tér el a telítési sebességtől, és megközelítőleg tekinthető , ezért a repülési frekvenciát, mint a dióda jellemzőjét, általában a következő kifejezés határozza meg:

(6)

A tartomány hossza függ a donor szennyeződés koncentrációjától, valamint a diódán lévő feszültségtől, és 5-10 μm. A szennyezőanyag-koncentráció csökkenése a domén tágulásához vezet a kimerítő réteg növekedése miatt. A tartomány kialakulása véges idő alatt történik, és a negatív differenciális vezetőképesség létrejöttével és a tértöltés növekedésével jár. A tértöltés növekedésének időállandója kis perturbáció módban megegyezik a dielektromos relaxációs állandóval, és a negatív differenciális mobilitás és az elektronkoncentráció határozza meg. A maximális értéken, míg az ODP létrehozási ideje rövidebb. A domén kialakulásának idejét tehát nagymértékben meghatározza a tértöltés újraelosztásának folyamata. Ez a mező kezdeti inhomogenitásától, az adalékolási szinttől és az alkalmazott feszültségtől függ.

6. ábra. Gunn dióda.

Körülbelül úgy véljük, hogy a domainnek a következő időn belül lesz ideje teljesen kialakulni:

ahol -ben van kifejezve. Csak akkor van értelme doménmódusokról beszélni, ha a tartománynak van ideje kialakulni a mintában lévő elektronok repülése során. Ezért a dipólus tartomány létezésének feltétele vagy .

Az elektronkoncentráció és a minta hosszának szorzatát ún kritikaiés jelölje. Ez az érték a határ a Gunn-dióda tartománymódjai és a stabil elektromos téreloszlású módok között egy egyenletesen adalékolt mintában. Ha nem jön létre erős tértartomány, a mintát hívják stabil. Különféle domain módok lehetségesek. A típuskritérium szigorúan véve csak olyan szerkezetekre érvényes, amelyeknél a katód és az anód közötti aktív réteg hossza jóval kisebb, mint a keresztirányú méretek: (6. ábra, a), ami egydimenziós problémának felel meg. és jellemző a sík- és mezastruktúrákra. A vékonyfilmes szerkezetek (6. ábra, b) epitaxiális aktív GaAs réteggel rendelkeznek 1 hossza nagy ellenállású hordozó között helyezhető el 3 és szigetelő dielektromos fólia 2 például SiO 2-ből készült. Az ohmos anód és katód érintkezők gyártása fotolitográfiai módszerekkel történik. A dióda keresztirányú mérete összemérhető a hosszával. Ebben az esetben a tartomány kialakulása során keletkező tértöltések belső elektromos mezőket hoznak létre, amelyeknek nemcsak longitudinális, hanem keresztirányú komponense is van (6. ábra, c). Ez a mező csökkenéséhez vezet az egydimenziós problémához képest. Ha az aktív film vastagsága kicsi, amikor , a tartományinstabilitás hiányának kritériumát a feltétel váltja fel. Az ilyen szerkezeteknél az elektromos tér stabil eloszlásával ez nagyobb is lehet.

A domén kialakulásának ideje nem haladhatja meg a mikrohullámú rezgések félciklusát. Ezért van egy második feltétele a mozgó tartomány létezésének, amelyből az (1) figyelembe vételével megkapjuk .

A repülési idő és a mikrohullámú rezgések periódusának arányától, valamint az állandó feszültség értékétől és a nagyfrekvenciás feszültség amplitúdójától függően a következő tartománymódok valósíthatók meg: repülési módok: repülés, mód tartománykésleltetéssel, mód a tartomány elnyomásával (kioltásával). Tekintsük az ezekben az üzemmódokban lezajló folyamatokat egy olyan Gunn-dióda esetében, amely terhelésen működik párhuzamos rezgőkör formájában, aktív ellenállással a rezonanciafrekvencián, és a diódát kis belső ellenállású feszültséggenerátor táplálja (ld. 4a. ábra). Ebben az esetben a diódán lévő feszültség szinuszos törvény szerint változik. A generálás a címen lehetséges.

Kis terhelési ellenállásnál mikor, hol – a Gunn dióda ellenállása gyenge mezőben, a nagyfrekvenciás feszültség amplitúdója kicsi és a diódán lévő pillanatnyi feszültség meghaladja a küszöbértéket (lásd 4b. ábra, 1. görbe). Itt a korábban figyelembe vett tranzit mód játszódik le, amikor a tartomány kialakítása után a diódán áthaladó áram állandó és egyenlő marad (lásd 9.39. ábra, c). Amikor a tartomány eltűnik, az áramerősség -re nő. GaAs-hoz. A rezgések frekvenciája a repülési módban egyenlő. Mivel az arány kicsi, a hatékonyság A tranzit üzemmódban működő Gunn dióda generátorok száma kicsi, és ennek az üzemmódnak általában nincs gyakorlati alkalmazása.

Ha a dióda nagy ellenállású áramkörön működik, akkor a váltakozó feszültség amplitúdója meglehetősen nagy lehet, így az időszak egy részében a diódán a pillanatnyi feszültség kisebb lesz, mint a küszöbérték (megfelel a 2. ábra 2. görbéjének 4b). Ebben az esetben arról beszélnek módban a tartományképzés késleltetésével. Egy tartomány akkor jön létre, amikor a diódán lévő feszültség meghaladja a küszöbértéket, azaz egy adott pillanatban (lásd 4. ábra, d). A tartomány kialakulása után a diódaáram a tartomány repülési ideje alatt csökken, és az is marad. Amikor a tartomány egy adott pillanatban eltűnik az anódon, a diódán lévő feszültség kisebb, mint a küszöbérték, és a dióda aktív ellenállást képvisel. Az áramerősség változása arányos a diódán lévő feszültséggel addig a pillanatig, amíg az áram eléri a maximális értékét, és a diódán lévő feszültség egyenlő a küszöbértékkel. Megkezdődik egy új tartomány kialakítása, és az egész folyamat megismétlődik. Az aktuális impulzus időtartama megegyezik az új tartomány kialakulásának késleltetési idejével. A tartományképzési idő kicsinek tekinthető a és -hoz képest. Nyilvánvalóan lehetséges egy ilyen mód, ha a repülési idő a határokon belül van, és a generált rezgések gyakorisága .

A görbének megfelelő nagyfrekvenciás feszültség még nagyobb amplitúdójával 3 A 4b. ábrán a dióda minimális feszültsége kisebb lehet, mint a dióda kioltó feszültsége. módban a domain elnyomásával(lásd 4. ábra d). Egy tartomány egy adott időpontban jön létre, és egy olyan időpontban oldódik fel, amikor egy új tartomány kezd kialakulni, miután a feszültség túllép egy küszöbértéket. Mivel egy tartomány eltűnése nincs összefüggésben az anód elérésével, a katód és az anód közötti elektronok repülési ideje tartománykioltás üzemmódban meghaladhatja az oszcillációs periódust: . Így csillapító üzemmódban. A generált frekvenciák felső határát a feltétel korlátozza, és lehet.

Elektronikus hatékonyság A tartomány üzemmódban működő Gunn-diódákon alapuló generátorok meghatározhatók az áramfüggvény Fourier-sorba való kiterjesztésével (lásd 4. ábra), hogy megkeressük az első harmonikus és az egyenáramú komponens amplitúdóját. Hatékonysági érték függ a , , , relációktól és az optimális értéken nem haladja meg a 6%-ot a GaAs diódák esetében a tartománykésleltetési módban. Elektronikus hatékonyság a tartomány-kioltó módban kisebb, mint a tartomány-késleltető módban.

ONOZ mód.

Valamivel később a tartományi módokat javasolták és implementálták a Gunn diódákhoz a tértöltés felhalmozódásának korlátozásának módja.Állandó feszültségeknél létezik a diódán, többszörösen magasabb, mint a küszöbérték, és nagy feszültségamplitúdóknál a repülési frekvenciánál többszörösen magasabb frekvenciákon. Az ONOS mód megvalósításához nagyon egységes adalékolási profilú diódákra van szükség. Az elektromos tér és az elektronkoncentráció egyenletes eloszlását a minta hosszában a diódán átívelő nagy feszültségváltozási sebesség biztosítja. Ha az az időtartam, amely alatt az elektromos tér intenzitása áthalad az NDC karakterisztika tartományán, sokkal rövidebb, mint a tartomány kialakulásának ideje, akkor a tér és a tértöltés nem észlelhető újraeloszlása ​​a dióda hossza mentén. Az elektronok sebessége a mintában végig „követi” az elektromos tér változását, a diódán átmenő áramot pedig a sebesség mezőtől való függése határozza meg (7. ábra).

Így ONOS üzemmódban a dióda negatív vezetőképessége az áramforrás energiáját a mikrohullámú rezgések energiájává alakítja. Ebben az üzemmódban az oszcillációs periódus egy részében a diódán lévő feszültség a küszöbérték alatt marad, és a minta olyan állapotban van, amelyet az elektronok pozitív mobilitása jellemez, azaz a tértöltés, amely akkor alakult ki, amikor az elektromos mező a diódában a küszöb felett volt, feloldódik.

Hozzávetőlegesen az idő múlásával gyenge töltésnövekedés feltételét írjuk az űrlapba , Ahol ; a negatív differenciális elektronmobilitás átlagos értéke a régióban. A tértöltés időbeni reszorpciója akkor és hol lesz hatékony ; valamint – a dielektromos relaxációs időállandó és az elektronok mobilitása gyenge térben.

Számolás , , nekünk van . Ez az egyenlőtlenség határozza meg azt az értéktartományt, amelyen belül az ONZ mód megvalósul.

Egy Gunn dióda generátor elektronikus hatásfoka ONOS üzemmódban az aktuális alakból számítható (7. ábra). Nál nél A maximális hatásfok 17%.

7. ábra. Az áram időfüggése a Gunn diódán ONOS módban.

A tartományi módokban a generált rezgések gyakorisága megközelítőleg megegyezik a repülési frekvenciával. Ezért a tartomány üzemmódban működő Gunn diódák hosszát a kifejezéssel a működési frekvencia tartományhoz viszonyítjuk

ahol GHz-ben van kifejezve, és – mikronban. ONOS módban a dióda hossza nem függ a működési frekvenciától, és többszöröse lehet a tartomány módokban azonos frekvencián működő diódák hosszának. Ez lehetővé teszi az ONO üzemmódban lévő generátorok teljesítményének jelentős növelését a tartományi módban működő generátorokhoz képest.

A Gunn-diódában a doménmódusokban vizsgált folyamatok lényegében idealizáltak, mivel viszonylag alacsony frekvenciákon (1-3 GHz) valósulnak meg, ahol az oszcillációs periódus lényegesen rövidebb, mint a tartományképzési idő, és a dióda hossza sokkal nagyobb, mint a a tartomány hossza a hagyományos dopping szinteken . Leggyakrabban a folyamatos hullámú Gunn-diódákat magasabb frekvenciákon, úgynevezett hibrid üzemmódokban használják. Hibrid módok A Gunn diódák működése közbenső az ONOS és a tartomány mód között. A hibrid módusokra jellemző, hogy egy tartomány kialakulása az oszcillációs periódus nagy részét felveszi. A nem teljesen kialakított tartomány akkor oldódik fel, amikor a diódán lévő pillanatnyi feszültség a küszöbérték alá csökken. Az elektromos térerősség a növekvő tértöltés tartományán kívül általában nagyobb marad, mint a küszöb. A hibrid üzemmódban a diódában végbemenő folyamatokat számítógéppel elemzik az (1), (3) és (4) egyenlet segítségével. A hibrid üzemmódok széles értéktartományt foglalnak el, és nem annyira érzékenyek az áramköri paraméterekre, mint az ONOZ mód.

Az ONOS üzemmód és a Gunn dióda hibrid működési módjai a „kemény” öngerjesztési módok közé tartoznak, amelyeket a negatív elektronikus vezetőképességnek a nagyfrekvenciás feszültség amplitúdójától való függése jellemez. A generátor hibrid üzemmódba (valamint ONOZ üzemmódba) állítása összetett feladat, és általában a dióda szekvenciális átállításával történik a tranzit üzemmódból a hibrid üzemmódba.

8. ábra. A GaAs Gunn diódagenerátorok elektronikus hatékonysága különböző üzemmódokhoz:

1 – tartományképzési késleltetéssel

2 – domain elnyomással

9. ábra. Egy Gunn-dióda feszültségének (a) és áramának (b) időfüggése nagy hatásfokú üzemmódban.

3-hibrid

Gunn diódákon alapuló generátorok tervezése és paraméterei.

A 8. ábra a maximális elektronikus hatásfok értékeit mutatja. GaAs Gunn dióda különféle üzemmódokban. Látható, hogy az értékek nem haladják meg a 20%-ot. Növelje a hatékonyságot A Gunn-diódákon alapuló generátorok bonyolultabb oszcillációs rendszerek alkalmazásával lehetségesek, amelyek lehetővé teszik az áram és a feszültség diódától való időfüggésének biztosítását, a 9. ábrán látható. A funkciók bővítése és a Fourier sorozatban at és 25%-os elektronikus hatékonysági értékeket ad a GaAs Gunn diódákhoz. Meglehetősen jó közelítést kapunk az optimális görbéhez a második feszültségharmonikus használatával. Egy másik módszer a hatékonyság növelésére nagy arányú anyagok felhasználásából áll a Gunn diódákban. Így az indium-foszfid esetében eléri a 3,5-öt, ami 40%-ra növeli a diódák elméleti elektronikus hatásfokát.

Szem előtt kell tartani, hogy az elektronikus hatékonyság A Gunn diódákra épülő generátorok nagy frekvenciákon csökkennek, amikor az oszcillációs periódus arányossá válik az NDC létesítési idejével (ez már ~30 GHz-es frekvenciáknál is megmutatkozik). Az elektronok átlagos sodródási sebességének mezőtől való függését meghatározó folyamatok tehetetlensége a diódaáram antifázis-komponensének csökkenéséhez vezet. A Gunn-diódák ezzel a jelenséggel kapcsolatos határfrekvenciája a GaAs-eszközök esetében ~100 GHz-re, az InP-eszközök esetében pedig 150-300 GHz-re becsülhető.

A Gunn diódák kimeneti teljesítményét elektromos és termikus folyamatok korlátozzák. Ez utóbbi hatása a maximális teljesítmény frekvenciától való függéséhez vezet a formában, ahol az állandót a szerkezet megengedett túlmelegedése, az anyag termikus jellemzői és az elektronikus hatásfok határozza meg. és a dióda kapacitása. Az elektromos üzemmód korlátai abból a tényből adódnak, hogy nagy kimeneti teljesítmény mellett a rezgések amplitúdója arányosnak bizonyul a dióda állandó feszültségével: .

Domain módokban ezért összhangban nekünk van:

,

ahol az egyenértékű terhelési ellenállás a dióda kivezetéseire számítva, és egyenlő az LPD aktív negatív ellenállásának moduljával.

A tartományban a maximális elektromos térerősség jelentősen meghaladja a diódában lévő átlagos térerősséget, ugyanakkor kisebbnek kell lennie, mint az az áttörési erősség, amelynél az anyag lavinatörése bekövetkezik (GaAs esetén ). Általában az elektromos tér megengedett értékének tekintjük.

Az LPD-ekhez hasonlóan viszonylag alacsony frekvenciákon (a centiméteres hullámhossz-tartományban) a Gunn-diódák maximális kimeneti teljesítményét a termikus hatások határozzák meg. A milliméteres tartományban a tartomány üzemmódban működő diódák aktív tartományának vastagsága kicsivé válik, és elektromos korlátok érvényesülnek. Folyamatos üzemmódban a három centiméteres tartományban egy diódából 1-2 W teljesítmény érhető el, akár 14% -os hatásfokkal; 60–100 GHz-es frekvencián – 100 WW-ig néhány százalékos hatásfokkal. A Gunn dióda generátorokat lényegesen alacsonyabb frekvenciájú zaj jellemzi, mint az LPD generátorokat.

Az ONOZ módot az elektromos tér sokkal egyenletesebb eloszlása ​​jellemzi. Ezenkívül az ebben az üzemmódban működő dióda hossza jelentős lehet. Ezért a mikrohullámú feszültség amplitúdója a diódán ONOS módban 1-2 nagyságrenddel nagyobb lehet, mint a tartományi módok feszültsége. Így a Gunn diódák kimeneti teljesítménye ONOS módban több nagyságrenddel növelhető a tartomány módokhoz képest. Az ONOZ üzemmódnál a termikus korlátozások kerülnek előtérbe. Az ONOS üzemmódú Gunn diódák leggyakrabban impulzus üzemmódban működnek, nagy munkaciklussal, és akár több kilowatt teljesítményt is generálnak a centiméteres hullámhossz-tartományban.

A Gunn-diódákra épülő generátorok frekvenciáját elsősorban az oszcillációs rendszer rezonanciafrekvenciája határozza meg, figyelembe véve a dióda kapacitív vezetőképességét, és széles tartományban hangolható mechanikai és elektromos módszerekkel.

Hullámvezető generátorban(10. ábra, a) Gunn dióda 1 fémrúd végén egy négyszögletes hullámvezető széles falai közé szerelve. Az előfeszítő feszültséget az induktor bemenetén keresztül tápláljuk 2 , amely negyedhullámú koaxiális vonalak szakaszaiból készül, és arra szolgál, hogy megakadályozza a mikrohullámú rezgések behatolását az áramforrás áramkörébe. Az alacsony Q rezonátort a hullámvezetőben lévő dióda rögzítő elemek alkotják. A generátor frekvenciáját egy varaktor dióda segítségével hangoljuk 3 , félhullámhossznyi távolságra található, és a Gunn diódához hasonlóan a hullámvezetőbe van beépítve. A diódák gyakran egy csökkentett magasságú hullámvezetőbe vannak beépítve, amelyet egy negyedhullámú transzformátor köt össze egy szabványos kimenő hullámvezetővel.

10. ábra. Gunn diódákon alapuló generátorok tervezése:

a-hullámvezető; b-mikrocsík; c – YIG gömb frekvenciahangolásával

Mikroszalagos kivitelben(10. ábra, b) dióda 1 csatlakozik az alap és a szalagvezető közé. A frekvencia stabilizálására kiváló minőségű dielektromos rezonátort használnak 4 alacsony veszteségű és nagy értékű dielektrikumból (például bárium-titanátból) készült tárcsa formájában, amely egy szélességű MPL szalagvezető közelében helyezkedik el. Kondenzátor 5 a tápáramkörök és a mikrohullámú út elválasztására szolgál. A tápfeszültség az induktor áramkörön keresztül történik 2 , amely az MPL két különböző hullámimpedanciájú negyedhullámú szegmenséből áll, és az alacsony ellenállású vezeték nyitott. A pozitív hőmérsékleti frekvenciaegyütthatós dielektromos rezonátorok alkalmazása lehetővé teszi kis frekvenciaeltolódású oszcillátorok létrehozását a hőmérséklet változásakor (~40 kHz/°C).

Hangolható frekvencia generátorok a Gunn diódák ittrium-vasgránát egykristályaiból állíthatók elő (10. ábra, c). A generátor frekvenciája ebben az esetben egy jó minőségű rezonátor rezonanciafrekvenciájának hangolása miatt változik, amely kis átmérőjű YIG gömb alakú, amikor a mágneses tér megváltozik. A maximális hangolás a minimális reaktív paraméterekkel rendelkező, csomagolatlan diódákban érhető el. A nagyfrekvenciás dióda áramkör egy rövid körből áll, amely körülveszi a YIG gömböt 6 . A dióda áramkör és a terhelési áramkör összekapcsolása az YIG gömb és az ortogonálisan elhelyezkedő csatolási fordulatok által biztosított kölcsönös induktivitás miatt történik. Az automata mérőberendezésekben széles körben használt ilyen generátorok elektromos hangolási tartománya eléri az oktávot 10-20 mW kimenő teljesítménnyel.

Gunn diódákon alapuló erősítők.

A Gunn-diódákon alapuló erősítők fejlesztése nagy érdeklődésre tart számot, különösen a milliméteres hullámhossz-tartományban, ahol a mikrohullámú tranzisztorok használata korlátozott. A Gunn diódákra épülő erősítők létrehozásakor fontos feladat a működésük stabilitásának biztosítása (diódastabilizáció), és mindenekelőtt a kisjelű tartomány típusú rezgések elnyomása. Ez a dióda paraméterének korlátozásával, a dióda külső áramkörrel történő terhelésével, a dióda adalékolási profiljának kiválasztásával, a keresztmetszet csökkentésével, vagy a mintára dielektromos film felvitelével érhető el. Erősítőként sík- és mezastruktúrájú diódákat is alkalmaznak, amelyek a küszöbérték feletti feszültségeknél negatív vezetőképességgel rendelkeznek a repülési frekvencia közelében széles frekvenciatartományban, és regeneratív visszaverő erősítőkként használatosak keringetővel a bemeneten, valamint bonyolultabb filmszerkezeteknél. amelyek a hullám növekedési tértöltés jelenségét használják NDP-vel rendelkező anyagban, gyakran ún vékony filmes utazóhullám-erősítők(UBV).

Szubkritikusan adalékolt diódákban at a futótartomány kialakítása még a küszöbértéket meghaladó feszültségeknél sem lehetséges. Amint a számítások azt mutatják, a szubkritikus diódákat negatív ekvivalens ellenállás jellemzi a repülési frekvenciához közeli frekvenciákon, a küszöbértéket meghaladó feszültségeknél. Használhatók fényvisszaverő erősítőkben. Alacsony dinamikatartományuk és erősítésük miatt azonban korlátozottan használhatók.

Stabil negatív vezetőképesség széles frekvenciatartományban, elérve a 40%-ot, diódákban valósul meg rövid diódahosszon (~8-15 µm) és feszültségeken . Alacsonyabb feszültségeknél generálás figyelhető meg, melynek meghibásodása a feszültség növekedésével az anyag NDC-jének csökkenésével magyarázható a készülék hőmérsékletének növekedésével.

A minta nem egyenletes adalékolása miatt az elektromos tér egyenletes eloszlása ​​a dióda hossza mentén és stabil erősítés érhető el széles frekvenciasávban (12. ábra, a). Ha a katód közelében egy keskeny, enyhén adalékolt réteg van, körülbelül 1 μm hosszú, akkor ez korlátozza az elektronok befecskendezését a katódból, és az elektromos tér éles növekedéséhez vezet. A szennyezőanyag-koncentráció növelése a minta hossza mentén az anód felé a -tól ig terjedő tartományban lehetővé teszi az elektromos tér egyenletességének elérését. Az ilyen profilú diódák folyamatait általában számítógépen számítják ki.

12. ábra. Adalékolási profil (a) és téreloszlás (b) nagy ellenállású katódtartományú Gunn-diódában.

A figyelembe vett erősítők típusait széles dinamikatartomány, 2-3%-os hatásfok, centiméteres hullámhossz tartományban ~10 dB-es zajmutató jellemzi.

13. ábra. A GaAs vékonyrétegű haladó hullám-erősítő diagramja hosszirányú sodródással

Az erősítő működéséhez biztosítani kell a film egyenletességét és az elektromos tér egyenletességét a készülék hosszában. A BW előfeszítési feszültség a GaAs NDC régióban, azaz at . Ebben az esetben a tértöltési hullám a film mentén haladva növekszik. Az elektromos tér stabil, egyenletes eloszlását az UWV-ben kis vastagságú fóliák alkalmazásával és a GaAs film nagy értékű dielektrikummal való bevonásával érik el.

Az elektronmozgás alapegyenleteinek alkalmazása az egydimenziós esetre (1), (3), (4) és a kisjel módra, amikor a konvekciós áram állandó összetevői, az elektromos térerősség és a töltéssűrűség sokkal nagyobb, mint a változó komponensek amplitúdója (), az állandó terjedés diszperziós egyenletéhez vezet, amelynek megoldása két hullám formájában van.

Az egyik egy közvetlen hullám, amely a film mentén a katódtól az anódig terjed fázissebességgel, és amplitúdója a törvény szerint változik:

ahol az elektronok mozgási ideje az eszköz bemenetéről. Az ODP régióban végzett munka során a közvetlen hullám is növekszik. A második hullám fordított, az anódról a katódra terjed, és amplitúdójában csillapodik. A GaAs diffúziós együtthatója az , ezért a fordított hullám gyorsan lecseng. A (9)-től az eszköz erősítése (dB)

(10)

Becslés: (10) at És 0,3-3 dB/µm nagyságrendű erősítést ad. Szem előtt kell tartani, hogy a (10) kifejezés alapvetően minőségi. Közvetlen felhasználása a tértöltés növekvő hullámainak kiszámítására a kis rétegvastagság peremfeltételeinek erős befolyása miatt hibákhoz vezethet, mivel a problémát kétdimenziósnak kell tekinteni. Figyelembe kell venni az elektrondiffúziót is, korlátozva azt a frekvenciatartományt, amelyen belül az erősítés lehetséges. A számítások megerősítik a ~0,5–1 dB/μm erősítést az UWV-ben 10 GHz-es vagy nagyobb frekvenciákon. Az ilyen eszközök vezérelt fázisváltóként és mikrohullámú késleltetési vonalként is használhatók.

[L]. Berezin és mtsai. Mikrohullámú elektronikus eszközök. – M. Felsőiskola 1985.

Az Orosz Föderáció Oktatási Minisztériuma

Oryol Állami Műszaki Egyetem

Fizika Tanszék ÖSSZEFOGLALÓ

témában: „A Gunn-effektus és felhasználása generátor üzemmódban működő diódákban.”

Szakterület: „A mikroelektronika fizikai alapjai”

A 3–4. csoport tanulója tölti ki
Senatorov D.G.

Felügyelő:

Sas. 2000

A Gunn-effektus és felhasználása generátor üzemmódban működő diódákban.

A mikrohullámú rezgések erősítésére és generálására felhasználható az elektronsebesség anomális függése az elektromos térerősségtől egyes félvezető vegyületekben, elsősorban a gallium-arzenidben. Ebben az esetben a fő szerepet a félvezető nagy részében előforduló folyamatok játsszák, és nem a p-n átmenetben. Mikrohullámú rezgések keletkezését homogén n-típusú GaAs mintákban egy küszöbérték feletti állandó elektromos térerősség mellett J. Gunn figyelte meg először 1963-ban (ezért az ilyen eszközöket Gunn-diódáknak nevezik). A hazai szakirodalomban térfogati instabilitású vagy intervallum-elektrontranszferrel rendelkező eszközöknek is nevezik őket, mivel a diódák aktív tulajdonságait az elektronok „központi” energiavölgyéből az „oldalra” való átmenete határozza meg, ahol jellemző rájuk: nagy effektív tömeg és alacsony mobilitás. A külföldi szakirodalomban ez utóbbi elnevezés a TED (Transferred Electron Device) kifejezésnek felel meg.

Gyenge térben az elektronok mozgékonysága nagy, 6000-8500 cm 2 /(Vs). Ha a térerősség nagyobb, mint 3,5 kV/cm, egyes elektronok „oldalsó” völgybe való átmenete miatt az elektronok átlagos sodródási sebessége a térerő növekedésével csökken. A differenciális mobilitási modulus legmagasabb értéke a zuhanó szakaszon megközelítőleg háromszor alacsonyabb, mint a gyenge mezők mobilitása. 15-20 kV/cm feletti térerősségnél az átlagos elektronsebesség szinte független a tértől és körülbelül 10 7 cm/s, így az arány , és a sebesség-mező karakterisztikája megközelítőleg közelíthető az 1. ábrán látható módon. A negatív differenciális vezetőképesség (NDC) megállapításához szükséges idő a „központi” völgyben lévő elektrongáz melegítési idejének összege (~10-12 s GaAs esetén), amelyet az energiarelaxációs időállandó és az intervallum-átmeneti idő határoz meg. ~5–10–14 s).

Azt várnánk, hogy az NDC tartományban a karakterisztikának egy leeső szakaszának jelenléte az elektromos tér egyenletes eloszlásával az egyenletesen adalékolt GaAs minta mentén egy leeső szakasz megjelenéséhez vezetne a dióda áram-feszültség karakterisztikájában, mivel a diódán áthaladó konvekciós áram értéke , ahol ; -keresztmetszeti terület; – a minta hossza az érintkezők között. Ebben a részben a dióda negatív aktív vezetőképességgel rendelkezik, és az alagútdiódához hasonló rezgések generálására és erősítésére használható. A gyakorlatban azonban egy ilyen rezsim megvalósítása egy NDC-vel rendelkező félvezető anyag mintájában nehézkes a tér és a tértöltés instabilitása miatt. Amint az a 8.1. §-ból kiderült, a tértöltés ingadozása ebben az esetben a törvény szerint a tértöltés növekedéséhez vezet.

,

ahol a dielektromos relaxációs állandó; –elektronkoncentráció az eredeti n-GaAs-ban. Egy homogén mintában, amelyre állandó feszültséget kapcsolunk , az elektronkoncentráció helyi növekedése negatív töltésű réteg megjelenéséhez vezet (2. ábra), amely a minta mentén mozog a katódtól az anódig.

1. ábra. Az elektron sodródási sebességének hozzávetőleges függése az elektromos térerősségtől GaAs esetén.

2. ábra. Az egyenletesen adalékolt GaA-k akkumulációs réteg kialakulásának folyamatának magyarázata.

Katód alatt a mintával való érintkezést értjük, amelyre negatív potenciál vonatkozik. Az ebben az esetben fellépő belső elektromos mezőket egy állandó térre helyezzük, a rétegtől jobbra növelve, balra pedig csökkentve a térerőt (2. ábra, a). Az elektronok sebessége a rétegtől jobbra csökken, balra pedig nő. Ez a mozgó akkumulációs réteg további növekedéséhez és a mintában lévő mező megfelelő újraelosztásához vezet (2. ábra, b). Jellemzően a katódon egy tértöltési réteg magokat képez, mivel a katód ohmos érintkezésének közelében van egy megnövekedett elektronkoncentrációjú és alacsony elektromos térerősségű tartomány. Az anódérintkező közelében fellépő fluktuációknak az elektronok anód felé történő mozgása miatt nincs ideje kialakulni.

Az ilyen elektromos téreloszlás azonban instabil, és ha a mintában inhomogenitás mutatkozik koncentráció-, mobilitás- vagy hőmérsékletugrások formájában, akkor átalakulhat úgynevezett erős tértartományba. Az elektromos térerősséget az elektronkoncentrációhoz viszonyítjuk a Poisson-egyenlet segítségével, amely egydimenziós esetre a következő alakú

(1)

Az elektromos mező növekedése a minta egy részében egy tértöltés megjelenésével jár együtt ennek a területnek a határain, negatív a katód oldalon és pozitív az anód oldalon (3. ábra, a). Ebben az esetben a tartományon belüli elektronok sebessége az 1. ábra szerint csökken. A katód felőli elektronok ezen a területen felzárkóznak az elektronokhoz, aminek következtében a negatív töltés növekszik, és elektronban gazdag réteg képződik. Az anód oldali elektronok előrehaladnak, aminek következtében a pozitív töltés nő, és egy kimerült réteg keletkezik, amelyben. Ez a fluktuációs tartományban a mező további növekedéséhez vezet, ahogy a töltés az anód felé mozog, és a tértöltés dipólus tartományának kiterjedését. Ha a diódára adott feszültséget állandóan tartjuk, akkor a dipólus tartományának növekedésével a rajta kívüli mező csökken (3. ábra, b). A mező növekedése a tartományban megáll, amikor sebessége egyenlő lesz a tartományon kívüli elektronok sebességével. Ez nyilvánvaló . A tartományon kívüli elektromos térerősség (3. ábra, c) a küszöberősség alatt lesz, ami lehetetlenné teszi a doménen kívüli elektronok intervallum-átmenetét és egy másik tartomány kialakulását mindaddig, amíg a korábban kialakult tartomány el nem tűnik. anód. Stabil nagymezős tartomány kialakulása után a diódán áthaladó áram állandó marad a katódról az anódra való mozgás során.

3. ábra. A dipólus domén kialakulásának folyamatának magyarázata.

Miután a tartomány eltűnik az anódnál, a mintában a térerősség megnő, és amikor eléri a értéket, egy új tartomány kialakulása kezdődik. Ebben az esetben az áramerősség eléri a maximális értéket, amely megegyezik (4. ábra, c)

(2)

A Gunn-dióda ezen működési módját tranzit üzemmódnak nevezik. Tranzit üzemmódban a diódán áthaladó áram impulzusokból áll, amelyeket egy periódus követ . A dióda mikrohullámú rezgéseket generál repülési frekvenciával , amelyet főként a minta hossza határoz meg, és gyengén függ a terheléstől (pontosan ezeket az oszcillációkat figyelte meg Gunn a GaAs és InP minták tanulmányozása során).

A Gunn-diódában az elektronikus folyamatokat figyelembe kell venni a Poisson-egyenletek, a folytonosság és a teljes áramsűrűség figyelembevételével, amelyek egydimenziós esetben a következő formájúak:

; (3)

. (4)

4. ábra. Egy Gunn-dióda generátor egyenértékű áramköre (a) és a Gunn-diódán átmenő feszültség (b) és áram időfüggése tranzit üzemmódban (c), valamint késleltetett (d) és tartomány csillapítású (e) üzemmódokban.

Pillanatnyi feszültség a diódán. A teljes áramerősség nem függ a koordinátától, és az idő függvénye. A diffúziós együtthatót gyakran az elektromos tértől függetlennek tekintik.

A dióda paramétereitől (az anyag adalékolási foka és profilja, a minta hossza és keresztmetszete, valamint hőmérséklete), valamint a tápfeszültségtől és a terhelési tulajdonságoktól függően a Gunn dióda, mikrohullámú generátorként és erősítőként többféle üzemmódban működhet: tartomány, korlátozó tértöltés-akkumuláció (ONZ, külföldi szakirodalomban LSA – Limited Space Charge Accumulation), hibrid, utazó hullámok tértöltés, negatív vezetőképesség.

Domain működési módok.

A Gunn-dióda tartományi működési módjait az jellemzi, hogy a mintában az oszcillációs periódus jelentős részében kialakult dipólus domén van jelen. A stacionárius dipól tartomány jellemzőit részletesen tárgyalja a [?], ahol látható, hogy az (1), (3) és (4)-ből az következik, hogy a tartomány sebessége és a benne lévő maximális térerősség összefügg egyenlő területek szabálya szerint

. (5)

Az (5) pontnak megfelelően az 5, a ábrán árnyékolt és vonalakkal határolt területek megegyeznek. Amint az ábrán látható, a tartományban a maximális térerősség jelentősen meghaladja a tartományon kívüli mezőt, és elérheti a több tíz kV/cm-t.

5. ábra. A dipólus tartomány paramétereinek meghatározására.

Az 5. b ábra a tartományfeszültség függését mutatja a rajta kívüli elektromos térerősségen, ahol a tartomány hossza (3. ábra, c). Ott egy adott feszültség melletti hosszúságú diódából egy „műszervonalat” építettek, figyelembe véve, hogy a diódán lévő teljes feszültség . Az A metszéspont határozza meg a tartomány feszültségét és azon kívül a térerősséget. Szem előtt kell tartani, hogy a tartomány állandó feszültségen fordul elő , azonban akkor is létezhet, amikor a tartománynak az anód felé történő mozgása során a diódán lévő feszültség az értékre csökken (szaggatott vonal az 5. ábrán, b). Ha a diódán lévő feszültséget tovább csökkentjük úgy, hogy az kisebb lesz, mint a tartomány kioltási feszültsége, a keletkező tartomány feloldódik. A csillapítási feszültség annak a pillanatnak felel meg, amikor a „műszeregyenes” érinti az 5. ábrán látható vonalat, b.

Így a tartomány eltűnésének feszültsége kisebbnek bizonyul, mint a tartomány kialakulásának küszöbfeszültsége. Amint az 5. ábrán látható, a domén túlfeszültségének a tartományon kívüli térerősségtől való éles függése miatt a tartományon kívüli tér és a tartománysebesség alig változik, ha a diódán lévő feszültség változik. A többletfeszültséget főleg a tartományban veszik fel. Már at a tartománysebesség csak kismértékben tér el a telítési sebességtől, és megközelítőleg tekinthető , ezért a repülési frekvenciát, mint a dióda jellemzőjét, általában a következő kifejezés határozza meg:

(6)

A tartomány hossza függ a donor szennyeződés koncentrációjától, valamint a diódán lévő feszültségtől, és 5-10 μm. A szennyezőanyag-koncentráció csökkenése a domén tágulásához vezet a kimerítő réteg növekedése miatt. A tartomány kialakulása véges idő alatt történik, és a negatív differenciális vezetőképesség létrejöttével és a tértöltés növekedésével jár. A tértöltés növekedésének időállandója kis perturbáció módban megegyezik a dielektromos relaxációs állandóval, és a negatív differenciális mobilitás és az elektronkoncentráció határozza meg. A maximális értéken, míg az ODP létrehozási ideje rövidebb. A domén kialakulásának idejét tehát nagymértékben meghatározza a tértöltés újraelosztásának folyamata. Ez a mező kezdeti inhomogenitásától, az adalékolási szinttől és az alkalmazott feszültségtől függ.

6. ábra. Gunn dióda.

Körülbelül úgy véljük, hogy a domainnek a következő időn belül lesz ideje teljesen kialakulni:

ahol -ben van kifejezve. Csak akkor van értelme doménmódusokról beszélni, ha a tartománynak van ideje kialakulni a mintában lévő elektronok repülése során. Ezért a dipólus tartomány létezésének feltétele vagy .

Az elektronkoncentráció és a minta hosszának szorzatának értékét kritikusnak nevezzük és jelöljük. Ez az érték a határ a Gunn-dióda tartománymódjai és a stabil elektromos téreloszlású módok között egy egyenletesen adalékolt mintában. Ha nem jön létre erős tértartomány, a mintát stabilnak nevezzük. Különféle domain módok lehetségesek. A típuskritérium szigorúan véve csak olyan szerkezetekre érvényes, amelyeknél a katód és az anód közötti aktív réteg hossza jóval kisebb, mint a keresztirányú méretek: (6. ábra, a), ami egydimenziós problémának felel meg. és jellemző a sík- és mezastruktúrákra. Vékonyfilmes szerkezeteknél (6. ábra, b) egy 1 hosszú epitaxiális aktív GaAs réteg helyezhető el egy nagy ellenállású 3 hordozó és egy 2 szigetelő dielektromos fólia között, amely például SiO 2-ből készült. Az ohmos anód és katód érintkezők gyártása fotolitográfiai módszerekkel történik. A dióda keresztirányú mérete összemérhető a hosszával. Ebben az esetben a tartomány kialakulása során keletkező tértöltések belső elektromos mezőket hoznak létre, amelyeknek nemcsak longitudinális, hanem keresztirányú komponense is van (6. ábra, c). Ez a mező csökkenéséhez vezet az egydimenziós problémához képest. Ha az aktív film vastagsága kicsi, amikor , a tartományinstabilitás hiányának kritériumát a feltétel váltja fel. Az ilyen szerkezeteknél az elektromos tér stabil eloszlásával ez nagyobb is lehet.

A domén kialakulásának ideje nem haladhatja meg a mikrohullámú rezgések félciklusát. Ezért van egy második feltétele a mozgó tartomány létezésének, amelyből az (1) figyelembe vételével megkapjuk .

A repülési idő és a mikrohullámú rezgések periódusának arányától, valamint az állandó feszültség értékétől és a nagyfrekvenciás feszültség amplitúdójától függően a következő tartománymódok valósíthatók meg: repülési módok: repülés, mód tartománykésleltetéssel, mód a tartomány elnyomásával (kioltásával). Tekintsük az ezekben az üzemmódokban lezajló folyamatokat egy olyan Gunn-dióda esetében, amely terhelésen működik párhuzamos rezgőkör formájában, aktív ellenállással a rezonanciafrekvencián, és a diódát kis belső ellenállású feszültséggenerátor táplálja (ld. 4a. ábra). Ebben az esetben a diódán lévő feszültség szinuszos törvény szerint változik. A generálás a címen lehetséges.

Kis terhelési ellenállásnál mikor, hol – a Gunn dióda ellenállása gyenge mezőben, a nagyfrekvenciás feszültség amplitúdója kicsi és a diódán lévő pillanatnyi feszültség meghaladja a küszöbértéket (lásd 4b. ábra, 1. görbe). Itt a korábban figyelembe vett tranzit mód játszódik le, amikor a tartomány kialakítása után a diódán áthaladó áram állandó és egyenlő marad (lásd 9.39. ábra, c). Amikor a tartomány eltűnik, az áramerősség -re nő. GaAs-hoz. A rezgések frekvenciája a repülési módban egyenlő. Mivel az arány kicsi, a hatékonyság A tranzit üzemmódban működő Gunn dióda generátorok száma kicsi, és ennek az üzemmódnak általában nincs gyakorlati alkalmazása.

Ha a dióda nagy ellenállású áramkörön működik, akkor a váltakozó feszültség amplitúdója meglehetősen nagy lehet, így az időszak egy részében a diódán a pillanatnyi feszültség kisebb lesz, mint a küszöbérték (megfelel a 2. ábra 2. görbéjének 4b). Ebben az esetben olyan módról beszélünk, amely késlelteti a tartományképzést. Egy tartomány akkor jön létre, amikor a diódán lévő feszültség meghaladja a küszöbértéket, azaz egy adott pillanatban (lásd 4. ábra, d). A tartomány kialakulása után a diódaáram a tartomány repülési ideje alatt csökken, és az is marad. Amikor a tartomány egy adott pillanatban eltűnik az anódon, a diódán lévő feszültség kisebb, mint a küszöbérték, és a dióda aktív ellenállást képvisel. Az áramerősség változása arányos a diódán lévő feszültséggel addig a pillanatig, amíg az áram eléri a maximális értékét, és a diódán lévő feszültség egyenlő a küszöbértékkel. Megkezdődik egy új tartomány kialakítása, és az egész folyamat megismétlődik. Az aktuális impulzus időtartama megegyezik az új tartomány kialakulásának késleltetési idejével. A tartományképzési idő kicsinek tekinthető a és -hoz képest. Nyilvánvalóan lehetséges egy ilyen mód, ha a repülési idő a határokon belül van, és a generált rezgések gyakorisága .

A 4b. ábra 3. görbéjének megfelelő nagyfrekvenciás feszültség még nagyobb amplitúdója esetén a dióda minimális feszültsége kisebb lehet, mint a dióda csillapítási feszültsége. Ebben az esetben tartománycsillapítású üzemmód lép fel (lásd az ábrát). 4d). Egy tartomány egy adott időpontban jön létre, és egy olyan időpontban oldódik fel, amikor egy új tartomány kezd kialakulni, miután a feszültség túllép egy küszöbértéket. Mivel egy tartomány eltűnése nincs összefüggésben az anód elérésével, a katód és az anód közötti elektronok repülési ideje tartománykioltás üzemmódban meghaladhatja az oszcillációs periódust: . Így csillapító üzemmódban. A generált frekvenciák felső határát a feltétel korlátozza, és lehet.

Elektronikus hatékonyság A tartomány üzemmódban működő Gunn-diódákon alapuló generátorok meghatározhatók az áramfüggvény Fourier-sorba való kiterjesztésével (lásd 4. ábra), hogy megkeressük az első harmonikus és az egyenáramú komponens amplitúdóját. Hatékonysági érték függ a , , , relációktól és az optimális értéken nem haladja meg a 6%-ot a GaAs diódák esetében a tartománykésleltetési módban. Elektronikus hatékonyság a tartomány-kioltó módban kisebb, mint a tartomány-késleltető módban.

ONOZ mód.

Valamivel később, mint a tartománymódok, a tértöltés felhalmozódását korlátozó módot javasoltak és implementáltak a Gunn diódákhoz. Állandó feszültségeknél létezik a diódán, többszörösen magasabb, mint a küszöbérték, és nagy feszültségamplitúdóknál a repülési frekvenciánál többszörösen magasabb frekvenciákon. Az ONOS mód megvalósításához nagyon egységes adalékolási profilú diódákra van szükség. Az elektromos tér és az elektronkoncentráció egyenletes eloszlását a minta hosszában a diódán átívelő nagy feszültségváltozási sebesség biztosítja. Ha az az időtartam, amely alatt az elektromos tér intenzitása áthalad az NDC karakterisztika tartományán, sokkal rövidebb, mint a tartomány kialakulásának ideje, akkor a tér és a tértöltés nem észlelhető újraeloszlása ​​a dióda hossza mentén. Az elektronok sebessége a mintában végig „követi” az elektromos tér változását, a diódán átmenő áramot pedig a sebesség mezőtől való függése határozza meg (7. ábra).

Így ONOS üzemmódban a dióda negatív vezetőképessége az áramforrás energiáját a mikrohullámú rezgések energiájává alakítja. Ebben az üzemmódban az oszcillációs periódus egy részében a diódán lévő feszültség a küszöbérték alatt marad, és a minta olyan állapotban van, amelyet az elektronok pozitív mobilitása jellemez, azaz a tértöltés, amely akkor alakult ki, amikor az elektromos mező a diódában a küszöb felett volt, feloldódik.

Hozzávetőlegesen az idő múlásával gyenge töltésnövekedés feltételét írjuk az űrlapba , Ahol ; a negatív differenciális elektronmobilitás átlagos értéke a régióban. A tértöltés időbeni reszorpciója akkor és hol lesz hatékony ; valamint – a dielektromos relaxációs időállandó és az elektronok mobilitása gyenge térben.

Számolás , , nekünk van . Ez az egyenlőtlenség határozza meg azt az értéktartományt, amelyen belül az ONZ mód megvalósul.

Egy Gunn dióda generátor elektronikus hatásfoka ONOS üzemmódban az aktuális alakból számítható (7. ábra). Nál nél A maximális hatásfok 17%.

7. ábra. Az áram időfüggése a Gunn diódán ONOS módban.

A tartományi módokban a generált rezgések gyakorisága megközelítőleg megegyezik a repülési frekvenciával. Ezért a tartomány üzemmódban működő Gunn diódák hosszát a kifejezéssel a működési frekvencia tartományhoz viszonyítjuk

ahol GHz-ben van kifejezve, és – mikronban. ONOS módban a dióda hossza nem függ a működési frekvenciától, és többszöröse lehet a tartomány módokban azonos frekvencián működő diódák hosszának. Ez lehetővé teszi az ONO üzemmódban lévő generátorok teljesítményének jelentős növelését a tartományi módban működő generátorokhoz képest.

A Gunn-diódában a doménmódusokban vizsgált folyamatok lényegében idealizáltak, mivel viszonylag alacsony frekvenciákon (1-3 GHz) valósulnak meg, ahol az oszcillációs periódus lényegesen rövidebb, mint a tartományképzési idő, és a dióda hossza sokkal nagyobb, mint a a tartomány hossza a hagyományos dopping szinteken . Leggyakrabban a folyamatos hullámú Gunn-diódákat magasabb frekvenciákon, úgynevezett hibrid üzemmódokban használják. A Gunn diódák hibrid működési módjai köztesek az ONOS és a tartományi módok között. A hibrid módusokra jellemző, hogy egy tartomány kialakulása az oszcillációs periódus nagy részét felveszi. A nem teljesen kialakított tartomány akkor oldódik fel, amikor a diódán lévő pillanatnyi feszültség a küszöbérték alá csökken. Az elektromos térerősség a növekvő tértöltés tartományán kívül általában nagyobb marad, mint a küszöb. A hibrid üzemmódban a diódában végbemenő folyamatokat számítógéppel elemzik az (1), (3) és (4) egyenlet segítségével. A hibrid üzemmódok széles értéktartományt foglalnak el, és nem annyira érzékenyek az áramköri paraméterekre, mint az ONOZ mód.

Az ONOS üzemmód és a Gunn dióda hibrid működési módjai a „kemény” öngerjesztési módok közé tartoznak, amelyeket a negatív elektronikus vezetőképességnek a nagyfrekvenciás feszültség amplitúdójától való függése jellemez. A generátor hibrid üzemmódba (valamint ONOZ üzemmódba) állítása összetett feladat, és általában a dióda szekvenciális átállításával történik a tranzit üzemmódból a hibrid üzemmódba.

8. ábra. A GaAs Gunn diódagenerátorok elektronikus hatékonysága különböző üzemmódokhoz:

1 – tartományképzési késleltetéssel

2 – domain elnyomással

9. ábra. Egy Gunn-dióda feszültségének (a) és áramának (b) időfüggése nagy hatásfokú üzemmódban.

3-hibrid

Gunn diódákon alapuló generátorok tervezése és paraméterei.

A 8. ábra a maximális elektronikus hatásfok értékeit mutatja. GaAs Gunn dióda különféle üzemmódokban. Látható, hogy az értékek nem haladják meg a 20%-ot. Növelje a hatékonyságot A Gunn-diódákon alapuló generátorok bonyolultabb oszcillációs rendszerek alkalmazásával lehetségesek, amelyek lehetővé teszik az áram és a feszültség diódától való időfüggésének biztosítását, a 9. ábrán látható. A funkciók bővítése és a Fourier sorozatban at és 25%-os elektronikus hatékonysági értékeket ad a GaAs Gunn diódákhoz. Meglehetősen jó közelítést kapunk az optimális görbéhez a második feszültségharmonikus használatával. Egy másik módszer a hatékonyság növelésére nagy arányú anyagok felhasználásából áll a Gunn diódákban. Így az indium-foszfid esetében eléri a 3,5-öt, ami 40%-ra növeli a diódák elméleti elektronikus hatásfokát.

Szem előtt kell tartani, hogy az elektronikus hatékonyság A Gunn diódákra épülő generátorok nagy frekvenciákon csökkennek, amikor az oszcillációs periódus arányossá válik az NDC létesítési idejével (ez már ~30 GHz-es frekvenciáknál is megmutatkozik). Az elektronok átlagos sodródási sebességének mezőtől való függését meghatározó folyamatok tehetetlensége a diódaáram antifázis-komponensének csökkenéséhez vezet. A Gunn-diódák ezzel a jelenséggel kapcsolatos határfrekvenciája a GaAs-eszközök esetében ~100 GHz-re, az InP-eszközök esetében pedig 150-300 GHz-re becsülhető.

A Gunn diódák kimeneti teljesítményét elektromos és termikus folyamatok korlátozzák. Ez utóbbi hatása a maximális teljesítmény frekvenciától való függéséhez vezet a formában, ahol az állandót a szerkezet megengedett túlmelegedése, az anyag termikus jellemzői és az elektronikus hatásfok határozza meg. és a dióda kapacitása. Az elektromos üzemmód korlátai abból a tényből adódnak, hogy nagy kimeneti teljesítmény mellett a rezgések amplitúdója arányosnak bizonyul a dióda állandó feszültségével: .

Domain módokban ezért összhangban nekünk van:

,

ahol az egyenértékű terhelési ellenállás a dióda kivezetéseire számítva, és egyenlő az LPD aktív negatív ellenállásának moduljával.

A tartományban a maximális elektromos térerősség jelentősen meghaladja a diódában lévő átlagos térerősséget, ugyanakkor kisebbnek kell lennie, mint az az áttörési erősség, amelynél az anyag lavinatörése bekövetkezik (GaAs esetén ). Általában az elektromos tér megengedett értékének tekintjük.

Az LPD-ekhez hasonlóan viszonylag alacsony frekvenciákon (a centiméteres hullámhossz-tartományban) a Gunn-diódák maximális kimeneti teljesítményét a termikus hatások határozzák meg. A milliméteres tartományban a tartomány üzemmódban működő diódák aktív tartományának vastagsága kicsivé válik, és elektromos korlátok érvényesülnek. Folyamatos üzemmódban a három centiméteres tartományban egy diódából 1-2 W teljesítmény érhető el, akár 14% -os hatásfokkal; 60–100 GHz-es frekvencián – 100 WW-ig néhány százalékos hatásfokkal. A Gunn dióda generátorokat lényegesen alacsonyabb frekvenciájú zaj jellemzi, mint az LPD generátorokat.

Az ONOZ módot az elektromos tér sokkal egyenletesebb eloszlása ​​jellemzi. Ezenkívül az ebben az üzemmódban működő dióda hossza jelentős lehet. Ezért a mikrohullámú feszültség amplitúdója a diódán ONOS módban 1-2 nagyságrenddel nagyobb lehet, mint a tartományi módok feszültsége. Így a Gunn diódák kimeneti teljesítménye ONOS módban több nagyságrenddel növelhető a tartomány módokhoz képest. Az ONOZ üzemmódnál a termikus korlátozások kerülnek előtérbe. Az ONOS üzemmódú Gunn diódák leggyakrabban impulzus üzemmódban működnek, nagy munkaciklussal, és akár több kilowatt teljesítményt is generálnak a centiméteres hullámhossz-tartományban.

A Gunn-diódákra épülő generátorok frekvenciáját elsősorban az oszcillációs rendszer rezonanciafrekvenciája határozza meg, figyelembe véve a dióda kapacitív vezetőképességét, és széles tartományban hangolható mechanikai és elektromos módszerekkel.

Egy hullámvezető generátorban (10. ábra, a) az 1. Gunn diódát egy négyszögletes hullámvezető széles falai közé szerelik fel egy fémrúd végén. Az előfeszítő feszültséget a 2. fojtóbemenet táplálja, amely negyedhullámú koaxiális vonalakból van kialakítva, és arra szolgál, hogy megakadályozza a mikrohullámú rezgések behatolását az áramforrás áramkörébe. Az alacsony Q rezonátort a hullámvezetőben lévő dióda rögzítő elemek alkotják. A generátor frekvenciáját egy félhullámtávolságra elhelyezett 3 varaktor dióda segítségével hangoljuk, és a Gunn diódához hasonlóan a hullámvezetőbe szereljük. A diódák gyakran egy csökkentett magasságú hullámvezetőbe vannak beépítve, amelyet egy negyedhullámú transzformátor köt össze egy szabványos kimenő hullámvezetővel.

10. ábra. Gunn diódákon alapuló generátorok tervezése:

a-hullámvezető; b-mikrocsík; c – YIG gömb frekvenciahangolásával

Mikroszalagos kivitelben (10. ábra, b) az 1. dióda az alap és a szalagvezető közé van kötve. A frekvencia stabilizálása érdekében egy kiváló minőségű 4 dielektromos rezonátort használnak kis veszteségű és nagy értékű dielektrikumból (például bárium-titanátból) készült lemez formájában, amely egy szélességű MPL szalagvezető közelében helyezkedik el. Az 5. kondenzátor a tápáramkörök és a mikrohullámú út elválasztására szolgál. A tápfeszültséget a 2. induktor áramkör szolgáltatja, amely két különböző hullámimpedanciájú negyedhullámú MPL szakaszból áll, és az alacsony ellenállású vezeték nyitott. A pozitív hőmérsékleti frekvenciaegyütthatós dielektromos rezonátorok alkalmazása lehetővé teszi kis frekvenciaeltolódású oszcillátorok létrehozását a hőmérséklet változásakor (~40 kHz/°C).

A Gunn-diódákon alapuló frekvenciahangolható generátorok ittrium-vas-gránát egykristályok felhasználásával készíthetők (10. ábra, c). A generátor frekvenciája ebben az esetben egy jó minőségű rezonátor rezonanciafrekvenciájának hangolása miatt változik, amely kis átmérőjű YIG gömb alakú, amikor a mágneses tér megváltozik. A maximális hangolás a minimális reaktív paraméterekkel rendelkező, csomagolatlan diódákban érhető el. A dióda nagyfrekvenciás áramköre a 6. YIG-gömböt körülvevő rövid menetből áll. A dióda áramkör és a terhelési áramkör összekapcsolása a YIG-gömb és az ortogonálisan elhelyezkedő csatolómenetek által biztosított kölcsönös induktivitás révén valósul meg. Az automata mérőberendezésekben széles körben használt ilyen generátorok elektromos hangolási tartománya eléri az oktávot 10-20 mW kimenő teljesítménnyel.

Gunn diódákon alapuló erősítők.

A Gunn-diódákon alapuló erősítők fejlesztése nagy érdeklődésre tart számot, különösen a milliméteres hullámhossz-tartományban, ahol a mikrohullámú tranzisztorok használata korlátozott. A Gunn diódákra épülő erősítők létrehozásakor fontos feladat a működésük stabilitásának biztosítása (diódastabilizáció), és mindenekelőtt a kisjelű tartomány típusú rezgések elnyomása. Ez a dióda paraméterének korlátozásával, a dióda külső áramkörrel történő terhelésével, a dióda adalékolási profiljának kiválasztásával, a keresztmetszet csökkentésével, vagy a mintára dielektromos film felvitelével érhető el. Erősítőként sík- és mezastruktúrájú diódákat is alkalmaznak, amelyek a küszöbérték feletti feszültségeknél negatív vezetőképességgel rendelkeznek a repülési frekvencia közelében széles frekvenciatartományban, és regeneratív visszaverő erősítőkként használatosak keringetővel a bemeneten, valamint bonyolultabb filmszerkezeteknél. amelyek a hullámnövekedési tértöltés jelenségét használják NDC-vel rendelkező anyagokban, amelyeket gyakran vékonyfilmes utazóhullám-erősítőknek (TWA) neveznek.

Szubkritikusan adalékolt diódákban at a futótartomány kialakítása még a küszöbértéket meghaladó feszültségeknél sem lehetséges. Amint a számítások azt mutatják, a szubkritikus diódákat negatív ekvivalens ellenállás jellemzi a repülési frekvenciához közeli frekvenciákon, a küszöbértéket meghaladó feszültségeknél. Használhatók fényvisszaverő erősítőkben. Alacsony dinamikatartományuk és erősítésük miatt azonban korlátozottan használhatók.

Stabil negatív vezetőképesség széles frekvenciatartományban, elérve a 40%-ot, diódákban valósul meg rövid diódahosszon (~8-15 µm) és feszültségeken . Alacsonyabb feszültségeknél generálás figyelhető meg, melynek meghibásodása a feszültség növekedésével az anyag NDC-jének csökkenésével magyarázható a készülék hőmérsékletének növekedésével.

A minta nem egyenletes adalékolása miatt az elektromos tér egyenletes eloszlása ​​a dióda hossza mentén és stabil erősítés érhető el széles frekvenciasávban (12. ábra, a). Ha a katód közelében egy keskeny, enyhén adalékolt réteg van, körülbelül 1 μm hosszú, akkor ez korlátozza az elektronok befecskendezését a katódból, és az elektromos tér éles növekedéséhez vezet. A szennyezőanyag-koncentráció növelése a minta hossza mentén az anód felé a -tól ig terjedő tartományban lehetővé teszi az elektromos tér egyenletességének elérését. Az ilyen profilú diódák folyamatait általában számítógépen számítják ki.

12. ábra. Adalékolási profil (a) és téreloszlás (b) nagy ellenállású katódtartományú Gunn-diódában.

A figyelembe vett erősítők típusait széles dinamikatartomány, 2-3%-os hatásfok, centiméteres hullámhossz tartományban ~10 dB-es zajmutató jellemzi.

13. ábra. A GaAs vékonyrétegű haladó hullám-erősítő diagramja hosszirányú sodródással

Az erősítő működéséhez biztosítani kell a film egyenletességét és az elektromos tér egyenletességét a készülék hosszában. A BW előfeszítési feszültség a GaAs NDC régióban, azaz at . Ebben az esetben a tértöltési hullám a film mentén haladva növekszik. Az elektromos tér stabil, egyenletes eloszlását az UWV-ben kis vastagságú fóliák alkalmazásával és a GaAs film nagy értékű dielektrikummal való bevonásával érik el.

Az elektronmozgás alapegyenleteinek alkalmazása az egydimenziós esetre (1), (3), (4) és a kisjel módra, amikor a konvekciós áram állandó összetevői, az elektromos térerősség és a töltéssűrűség sokkal nagyobb, mint a változó komponensek amplitúdója (), az állandó terjedés diszperziós egyenletéhez vezet, amelynek megoldása két hullám formájában van.

Az egyik egy közvetlen hullám, amely a film mentén a katódtól az anódig terjed fázissebességgel, és amplitúdója a törvény szerint változik:

ahol az elektronok mozgási ideje az eszköz bemenetéről. Az ODP régióban végzett munka során a közvetlen hullám is növekszik. A második hullám fordított, az anódról a katódra terjed, és amplitúdójában csillapodik. A GaAs diffúziós együtthatója az , ezért a fordított hullám gyorsan lecseng. A (9)-től az eszköz erősítése (dB)

(10)

Becslés: (10) at És 0,3-3 dB/µm nagyságrendű erősítést ad. Szem előtt kell tartani, hogy a (10) kifejezés alapvetően minőségi. Közvetlen felhasználása a tértöltés növekvő hullámainak kiszámítására a kis rétegvastagság peremfeltételeinek erős befolyása miatt hibákhoz vezethet, mivel a problémát kétdimenziósnak kell tekinteni. Figyelembe kell venni az elektrondiffúziót is, korlátozva azt a frekvenciatartományt, amelyen belül az erősítés lehetséges. A számítások megerősítik a ~0,5–1 dB/μm erősítést az UWV-ben 10 GHz-es vagy nagyobb frekvenciákon. Az ilyen eszközök vezérelt fázisváltóként és mikrohullámú késleltetési vonalként is használhatók.

[L]. Berezin és mtsai. Mikrohullámú elektronikus eszközök. – M. Felsőiskola 1985.

Az (1) egyenletek tárgyalása azzal a céllal, hogy módosítsuk azokat az EM vektorpotenciál mezőjére, mivel az új egyenletek lehetővé teszik az elektrodinamikus mezők nem termikus hatásának folyamatainak következetes leírását anyagi közegekben: az elektromos és a mágneses térben. a közeg polarizációja, az EM impulzus szögimpulzusának átvitele rá. Az EM mező összetevői és az EM vektorpotenciál mezője közötti elsődleges kapcsolat kezdeti összefüggései a...

A tápegységek polaritásai a 3.4. ábrán és az áramok irányai p-n-p tranzisztor esetén. n-p-n tranzisztor esetén a feszültség polaritások és az áramirányok felcserélődnek. 3.4. ábra Fizikai folyamatok a BT-ben. Ez a működési mód (NAR) a fő, és meghatározza a tranzisztorelemek célját és nevét. Az emitter csomópont a hordozókat egy keskeny...

Másodlagos eszközökhöz vannak csatlakoztatva termoelektromos vezetékekkel, amelyek mintegy kiterjesztik a termoelektródákat. A termoelektromos átalakítókkal együtt működő másodlagos eszközök a magnetoelektromos millivoltméterek és potenciométerek. A magnetoelektromos millivoltméter működése egy olyan vezető által alkotott keret kölcsönhatásán alapul, amelyen keresztül áram folyik a...

Hőmérséklet szabályozás; Germánium és szilícium lapos diódák. Laboratóriumi munkához szükséges elméleti táplálkozástudományi ismeretek: 1. Különböző vezetőképességű vezetők érintkezése következtében fellépő fizikai folyamatok. 2. Elektronikus címtár átmenet az egyenlő állomáson. Energia diagram. 3. A töltet befecskendezése és kivonása. 4. Volt amper karakterisztika (...

Küldje el a jó munkát a tudásbázis egyszerű. Használja az alábbi űrlapot

Diákok, végzős hallgatók, fiatal tudósok, akik a tudásbázist tanulmányaikban és munkájukban használják, nagyon hálásak lesznek Önnek.

közzétett http://www.allbest.ru//

közzétett http://www.allbest.ru//

Bevezetés

A mikroelektronika, mint új tudományos-műszaki irány, amely biztosítja a komplex rádióelektronikai berendezések (REA) létrehozását, keletkezése és fejlődése közvetlenül összefügg a 60-as évek elején kialakult válsághelyzettel, amikor a REA diszkrét elemekből történő előállításának hagyományos módszerei. szekvenciális összeszerelésük nem tudta biztosítani a REA megkívánt megbízhatóságát, hatékonyságát, energiafogyasztását, gyártási idejét és elfogadható méreteit.

Fennállásának rövid ideje ellenére a mikroelektronika összekapcsolása a tudomány és a technológia más területeivel szokatlanul magas fejlődési ütemet biztosított ennek az iparágnak, és jelentősen csökkentette az új ötletek ipari megvalósításának idejét. Ezt elősegítette az is, hogy sajátos visszacsatolási kapcsolatok alakultak ki az integrált áramkörök fejlesztése között, amelyek a termelés és az irányítás automatizálásának alapját képezik, és e fejlesztések felhasználása az integrált áramkörök tervezési, gyártási és tesztelési folyamatának automatizálására.

A mikroelektronika fejlődése alapvető változásokat hozott az elektronikai eszközök tervezési elveiben, és komplex integráció alkalmazásához vezetett, amely a következőkből áll:

szerkezeti vagy áramköri integráció (azaz áramköri funkciók integrálása egyetlen szerkezeti egységen belül); a több száz és ezres nagyságrendű integráltság mellett a rendszerek komponensekre, eszközökre, alrendszerekre és blokkokra való felosztásának meglévő módszerei, valamint a komponensek, eszközök és alrendszerek fejlesztésének koordinációs formái hatástalanná válnak; ugyanakkor a súlypont az áramkör területére kerül, ami megköveteli az elektronikus rendszerek megvalósítási módszereinek radikális átalakítását szupermoduláris szintű berendezések építésével;

1. A vékonyréteg-technológia szerepe az integrált áramkörök gyártásában

Az integrált elektronika nem új vagy külön technológiai területként fejlődik, hanem a diszkrét félvezető eszközök gyártásában és a fedőbevonatú filmbevonatok gyártásában korábban alkalmazott számos technológiai technika általánosításával. Ennek megfelelően az integrált elektronikában két fő irányt jelöltek ki: a félvezetőt és a vékonyfilmet.

Az integrált áramkör létrehozása egyetlen monokristályos félvezető (eddig csak szilícium) lapkán a félvezető eszközök létrehozásának az elmúlt évtizedekben kifejlesztett technológiai elveinek természetes fejlődése, amelyek, mint ismeretes, beváltak a működésben.

Az integrált elektronika vékonyréteg-iránya a különböző anyagokból készült filmek egymás utáni, közös alapra (szubsztrátumra) történő növekedésén alapul, egyidejű mikrorészek (ellenállások, kondenzátorok, érintkezőbetétek stb.) és az áramkörön belüli kapcsolatok kialakításával. ezeket a filmeket.

Viszonylag a közelmúltban a félvezető (szilárd) és a vékonyfilm hibrid IC-ket versengő iránynak tekintették az integrált elektronika fejlesztésében. Az elmúlt években nyilvánvalóvá vált, hogy ez a két irány egyáltalán nem zárja ki, hanem éppen ellenkezőleg, kiegészíti és gazdagítja egymást. Ráadásul a mai napig nem hoztak létre egyetlen technológiát használó integrált áramkört (és úgy tűnik, erre nincs is szükség). Még a monolit szilícium áramkörök is, amelyeket elsősorban félvezető technológiával gyártanak, egyidejűleg alkalmaznak olyan módszereket, mint az alumínium és más fémek fóliáinak vákuumleválasztása az áramkörön belüli kapcsolatok létrehozására, azaz olyan módszereket, amelyeken a vékonyréteg-technológia alapul.

A vékonyréteg-technológia nagy előnye a rugalmasság, amely az optimális paraméterekkel és jellemzőkkel rendelkező anyagok kiválasztásában, valamint a passzív elemek tetszőleges konfigurációjának és paramétereinek elérésében nyilvánul meg. Ebben az esetben 1-2%-ra növelhetők azok a tűréshatárok, amelyekkel az elemek egyedi paraméterei megmaradnak. Ez az előny különösen hatékony olyan esetekben, amikor a névleges értékek pontos értéke és a passzív komponensek paramétereinek stabilitása kritikus (például lineáris áramkörök, rezisztív és RC áramkörök, egyes szűrőtípusok, fázisérzékeny ill. szelektív áramkörök, generátorok stb.).

Mind a félvezető-, mind a vékonyréteg-technológia folyamatos fejlesztése és fejlesztése, valamint az IC-k egyre bonyolultabbá válása miatt, ami az alkatrészek számának növekedésében és funkcióik összetettségében is megmutatkozik, arra kell számítani, hogy a közeljövőben a jövőben a technológiai módszerek és technikák integrációs folyamata lesz, és a legösszetettebb IC-ket konvergens technológiával gyártják majd. Ebben az esetben olyan paraméterek és az IC olyan megbízhatósága érhető el, amely nem érhető el az egyes technológiatípusok használatával külön-külön. Például egy félvezető IC gyártásánál minden elemet (passzív és aktív) egy technológiai folyamatban hajtanak végre, így az elemek paraméterei egymással összefüggenek. Az aktív elemek meghatározóak, mivel általában a tranzisztor bázis-kollektor átmenetét használják kondenzátorként, és a tranzisztor bázisának létrehozásából származó diffúziós tartományt ellenállásként. Lehetetlen az egyik elem paramétereinek optimalizálása anélkül, hogy egyidejűleg ne változtatnánk meg a többi elem jellemzőit. Tekintettel az aktív elemek jellemzőire, a passzív elemek minősítése csak méretváltoztatással módosítható.

Kombinált technológia alkalmazásakor az aktív elemeket leggyakrabban sík technológiával gyártják szilícium lapkában, a passzív elemeket pedig vékonyréteg technológiával oxidált elemenként (ellenállások és néha kondenzátorok) - ugyanazon szilícium lapka felületén. . Az IC aktív és passzív részeinek gyártási folyamatai azonban időben elkülönülnek. Ezért a passzív elemek jellemzői nagyrészt függetlenek, és az anyagválasztás, a filmvastagság és a geometria határozza meg. Mivel a hibrid IC tranzisztorai a hordozón belül helyezkednek el, egy ilyen áramkör mérete jelentősen csökkenthető a hibrid IC-khez képest, amelyek diszkrét aktív elemeket használnak, amelyek viszonylag nagy helyet foglalnak el a hordozón.

A kombinált technológiával készült áramköröknek számos kétségtelen előnye van. Például ebben az esetben kis területen nagy értékű és kis hőmérsékleti ellenállási együtthatójú, nagyon szűk szélességű és nagy felületi ellenállású ellenállásokat lehet előállítani. Az ellenállások gyártása során a lerakódási sebesség szabályozása lehetővé teszi azok nagyon nagy pontosságú gyártását. A filmleválasztással nyert ellenállásokra még magas hőmérsékleten sem jellemző a hordozón áthaladó szivárgó áram, és a hordozó viszonylag magas hővezető képessége megakadályozza, hogy az áramkörökben emelkedett hőmérsékletű területek jelenjenek meg.

A vékonyfilmeket az epitaxiális-sík technológiával történő IC-k gyártása mellett széles körben alkalmazzák a hibrid IC-k gyártásában, valamint új típusú mikroelektronikai eszközök (töltéscsatolt készülékek, Josephson alapú kriotrontöltők) gyártásában. hatás, töltők hengeres mágneses tartományokon stb.).

2. Félvezető eszközök és integrált áramkörök vékonyréteg-fémezése

A szilícium ohmos érintkezőit előállító félvezető eszközök és IC-k, valamint a MOS szerkezetek kapuelektródáinak gyártásában az alumínium fóliák széles körben elterjedtek, ennek a fémnek a következő előnyei miatt:

az Al alacsony költsége és egy fém felhasználásának lehetősége az összes fémezési folyamathoz, ami jelentősen leegyszerűsíti és csökkenti a technológia költségeit, és megakadályozza a galvánhatások előfordulását;

az Al filmek nagy elektromos vezetőképessége, közel az ömlesztett anyag elektromos vezetőképességéhez; az Al könnyű elpárologtatása vákuumban volfrámtégelyekből és elektronsugaras elpárologtatókból;

az A1 erős adhéziója a szilíciumhoz és oxidjaihoz; az Al kis ellenállású érintkezése szilíciummal és n-típusú vezetőképességgel;

a szilícium észrevehető oldhatósága Al-ban szilárd oldat képződésével, amely szinte nem csökkenti az elektromos vezetőképességet;

kémiai vegyületek hiánya az Al-Si rendszerben;

az A1 kémiai kölcsönhatása Si02-vel, amely részben az érintkezőbetéteken marad; vegyszerállóság A1 oxidáló környezetben és sugárzásállóság;

a fotolitográfiai műveletek egyszerűsége a vezető pályák konfigurációjának kialakításához olyan maratószerek használatával, amelyek nem reagálnak szilíciummal és szilícium-dioxiddal; jó Al alakíthatóság és ellenállás a ciklikus hőmérsékletváltozásokkal szemben.

A leválasztott Al filmek szemcsemérete jelentősen függ az aljzat párolgási sebességétől és hőmérsékletétől. Minél nagyobb a szemcseméret és minél tökéletesebb a fólia kristályszerkezete, annál kisebb az ellenállása, annál kisebb az elektromigráció hatása, és ennek következtében az áramvezető utak és az ohmos érintkezők élettartama hosszabb. Az Al filmek orientált növekedése nem oxidált szilícium felületeken a (111) síkban körülbelül 3 * 10-2 μm * s-1 lerakódási sebességnél és 200--250 °C-os szubsztrátum hőmérsékletnél figyelhető meg.

Ilyen nagy filmleválasztási sebesség eléréséhez leggyakrabban elektronsugaras elpárologtatókat használnak. Ebben az esetben a fóliák kristályszerkezetének tökéletességi foka ellenőrizhetetlenül változhat a szubsztrátumok további sugárzásos felmelegedése miatt, amelynek nagysága mind az elpárologtató teljesítményétől, mind a hordozóanyagtól és a hordozó vastagságától függ. lerakott film. A film szerkezetének ellenőrizetlen változásai is fellépnek az elpárolgott Al-gőz molekuláris nyalábjában lévő töltött részecskék jelenléte miatt. Minél nagyobb a katód emissziós árama és minél nagyobb a párolgási sebesség, annál nagyobb a töltött részecskék koncentrációja.

A tiszta Al filmek egyik jelentős hátránya az elektrodiffúzió (anyagionok sodródása egy vezető mentén, van-e potenciálkülönbség az utóbbi végein) következtében az anyagátvitel. Az ionok mozgásának sebessége a hőmérséklet függvénye, és a hőmérséklettel növekszik. Az elektrodiffúzió mellett a fématomok diffúziója is lehetséges a vezető végein kialakuló hőmérséklet-különbség következtében. Ha Al kerül a szilícium-oxidra, az rossz hőelvezetést, „forró” centrumok megjelenését okozza a vezető utakon, és ennek következtében jelentős hőmérsékleti gradienseket okoz. Az Al elektromigrációja kisebb áramsűrűségnél, mint más fémeknél, üregek megjelenéséhez vezet a filmben (Kirkendall-effektus).

Mivel az elektrodiffúzió egy aktiválási folyamat, jelentősen függ a szemcsehatárfelület állapotától. A határok mértékének csökkentése a szemcseméret növelésével és a védőbevonat anyag kiválasztásával jelentősen növelheti az aktiválási energiát, és ennek következtében a meghibásodások közötti időt. A meghibásodások közötti idő jelentős növelése réz, magnézium, króm és alumínium-oxid szennyeződések alumíniumhoz való hozzáadásával érhető el.

Az A1 fólia felhordása és az áramvezető pályák kívánt konfigurációjának elérése után az A1-et szilíciumba olvasztják 500-550 °C hőmérsékleten, hogy kis ellenállású érintkezést kapjanak. A felesleges szilícium vándorlása az érintkezési hordozók melletti áramutakon A1 leválást és IC meghibásodást okoz. Ennek megakadályozására kb. 2 tömeget kell bevinni, amikor az A1 elpárolog. % szilícium. A szilícium hozzáadása az A1 érintkezőpárnáihoz csökkenti a szilícium kivándorlását a sekély emitterrétegből (körülbelül 1 μm), ami jelentősen növeli az IC teljesítményét a bipoláris tranzisztorokon, és megakadályozza az IC sekély emitter csomópontjainak rövidzárlatát. . Az A1 fóliába való szilícium migráció megakadályozása érdekében köztes rétegként titán fólia használható. A gyors működésű IC-kben a titán alréteggel történő ohmos érintkezők létrehozásának módszere lehetővé tette a meghibásodások közötti idő 20-szoros növelését. A titán mellett platina vagy palládium alsó réteg is használható platina-szilicid vagy palládium-szilicid előállítására.

A korábban felsorolt ​​előnyök mellett az alumínium fémezésnek számos jelentős hátránya van, amelyek közül a legfontosabbak a következők:

az A1 atomok alacsony aktiválási energiája, ami körülbelül 106 A/cm2 áramsűrűség és magas hőmérséklet mellett elektromigrációt okoz, ami üregek megjelenését eredményezi a filmekben;

a többszintű fémezési rendszerekben a dielektrikumon keresztüli rövidzárlat lehetősége az A1 elektromigrációja és átkristályosítása következtében a nyárson éles kiemelkedések kialakulása miatt;

az Al galvanikus korróziójának veszélye más fémek egyidejű használata esetén; az A1 nagy diffúziós sebessége a szemcsehatárok mentén, ami nem teszi lehetővé az A1 fémezésű eszközök használatát 500 ° C feletti hőmérsékleten;

az A1 intenzív kémiai kölcsönhatása szilícium-dioxiddal körülbelül 500 °C hőmérsékleten;

az alumínium-szilícium rendszerek eutektikájában az alacsony olvadáspont körülbelül 577 °C;

nagy különbség (6-szoros) az A1 és 51 hőtágulási együttható között;

az A1 puhasága és ezért a filmek alacsony mechanikai szilárdsága;

a vezetékek forrasztással történő csatlakoztatásának lehetetlensége;

magas küszöbfeszültség a MOS szerkezetekben a magas munkafunkció miatt.

A felsorolt ​​hátrányok miatt az alumínium fémezést nem alkalmazzák a kis emitteres átmenettel rendelkező IC-kben és tranzisztorokban, valamint a MIS IC-kben ... kapuelektródák létrehozására. Erre a célra különböző fémekből készült egy- és többrétegű rendszereket használnak (beleértve az A1-et a felső réteghez). A legalkalmasabb anyagok a wolfram és a molibdén. Különösen a wolfram TCR-je majdnem megegyezik a szilíciummal, jó ohmos érintkezése szilíciummal és n-típusú vezetőképességgel, kis (2,5-szeres) különbség az alumíniumtól az elektromos vezetőképességben, az összes fém közül a legmagasabb aktiválási energiája az öndiffúzió során, magas az eutektikum szilíciummal való hőmérsékleti olvadása, kémiai tehetetlenség levegőben és hidrogén-fluorid vizes oldatában, valamint nagy keménység, ami kiküszöböli a karcolódás lehetőségét a filmen.

A W magas hőmérsékletállósága miatt többrétegű fémezésre is használható szilícium-dioxid rétegek W-vel váltakozva. A hőkezelés során nem keletkeznek halmok a fólia felületén, és nem áll fenn a rövidzárlat veszélye áramvezető utak a többrétegű fémezésben. Ezenkívül a W-fóliák (valamint az Mo-fóliák) kohászati ​​gátat képeznek, amely megakadályozza a szilícium és az alumínium kristályközi szerkezetének kialakulását.

A W fémezés hátránya, hogy nehéz filmeket nyerni (amelyhez általában volfrám-hexofluorid pirolízisét alkalmazzák) és maratni őket (ferrocianid lúgos oldatában). Mindkét folyamat összetett és mérgező anyagokat tartalmaz. Ráadásul a külső vezetékeket nem lehet közvetlenül a wolframhoz csatlakoztatni, ezért valamilyen más fémet (Pt, Ni, Au, Cu, Al stb.) helyeznek rá az érintkezőbetétekre.

A mikrohullámú IC-k, speciális célú IC-k gyártásában, valamint a hibrid technológiában is alkalmaznak fémezést, amely több réteg vékony fémből áll. Ebben az esetben általában az első (alsó) fémrétegnek erősen tapadnia kell mind a szilíciumhoz, mind a szilícium-dioxidhoz, ugyanakkor ezekben az anyagokban alacsony oldhatósági és diffúziós együtthatóval kell rendelkeznie. Ezeknek a követelményeknek megfelelnek az olyan fémek, mint a króm, titán, molibdén és platina-szilicid. Kétrétegű fémezés esetén a második (felső) fémrétegnek nagy elektromos vezetőképességgel kell rendelkeznie, és biztosítania kell a huzalvezetékek hegesztését. Egyes rendszerekben azonban (például Cr-Au, Ti-Au vagy Cr-Cu) érintkezők

A hőkezelés során elveszítik a mechanikai szilárdságukat, mivel intermetallikus vegyületek képződnek határaikon. Ezenkívül a fedő fém az alatta lévő rétegen keresztül a szilíciumba diffundál, ami csökkenti a kötés mechanikai szilárdságát és megváltoztatja az érintkezési ellenállást. Ennek a jelenségnek a kiküszöbölésére általában egy harmadik fémréteget használnak, amely egy olyan gát, amely megakadályozza a felső fémezési réteg és a szilícium kölcsönhatását. Például a sugárkapcsok gyártásához használt Tt-Pl-Au hármas rendszerben a réteg

Rizs. 1. Kétszintű fémezés A1-A1rOz-A1 rendszerben történő gyártási folyamatának vázlata. mikroelektronika integrált vékony film

a- vastag és vékony szilícium-oxid réteg felvitele fémezés előtt (az ohmos érintkezési terület látható); b - alumínium alkalmazása, az első szint kialakítása; c -- a fém első szintjének fotogravírozása; d - az első fémezési szint eloxálása fotoreziszt maszkkal;

A kb. 5X10-2 μm vastagságú Pt gátként szolgál az A1 S1-be való diffúziója ellen. Ezenkívül a MIS IC-k gerendakapcsaihoz Cr-Ag-Au, Cr-Ag-Pt, Pd-Ag-Au rendszereket használnak, amelyekben egy ezüst film játssza a sorompó szerepét. A hibrid IC-khez és a szalagvonalas mikrohullámú IC-vonalakhoz Cr-Cu és Cr-Cu-Cr rendszereket használnak.

A chipen lévő elemek sűrűségének növelése többszintű fémezést igényelt. ábrán. Az 1. ábra a kétszintű fémezés gyártási sorrendjét mutatja az A1-A1203-A1 rendszerben, amelyet töltéscsatolt eszközökben használnak.

A többszintű fémezés viszonylag új szigetelőanyaga a poliimid, amellyel a MOS tranzisztoron lévő LSI-k ötszintű fémezését kapják.

3. A vékonyrétegek tulajdonságait befolyásoló tényezők

Egy anyag szubsztrátumon történő növekedése egy másik anyagból nagyon összetett folyamat, amely számos nehezen szabályozható paramétertől függ: a szubsztrát szerkezetétől, felületének állapotától, hőmérsékletétől, az elpárolgott anyag tulajdonságaitól. és lerakódási sebessége, az elpárologtató anyaga és kialakítása, a vákuum mértéke, a visszamaradó környezet összetétele és még sok más. táblázatban Az 1. ábra a fóliák tulajdonságai és lerakódásuk körülményei közötti kapcsolatot mutatja be.

Az adott lerakódási körülményektől függően az azonos anyagból készült filmek a következő fő szerkezeti jellemzőkkel rendelkezhetnek: amorf szerkezet, amelyet kristályrács hiánya jellemez; kolloid (finomszemcsés) szerkezet, amelyet nagyon kicsi (10-2 µm-nél kisebb) kristályok jelenléte jellemez; szemcsés (durva szemcsés) szerkezet nagy kristályokkal (10-1 µm vagy több); monokristályos szerkezet, amikor a teljes film egy adott anyag atomjainak folytonos kristályrácsa.

4.Subsztrátok

Az aljzatgyártáshoz használt anyagnak homogén összetételűnek, sima felületűnek (12-14-es kidolgozási fokozattal), nagy elektromos és mechanikai szilárdságúnak, kémiailag közömbösnek, magas hőállósággal és hővezető képességgel, hőtágulási együtthatóval kell rendelkeznie. A szubsztrátum anyagának és a felvitt filmnek közeli értéknek kell lennie. Teljesen világos, hogy szinte lehetetlen olyan anyagokat kiválasztani az aljzatokhoz, amelyek egyformán megfelelnének az összes felsorolt ​​követelménynek.

Hibrid IC-k szubsztrátumaként üvegkerámiát, fotoszitál, nagy timföld- és berillium-kerámiát, üveget, polikort, poliimidet, valamint dielektromos fóliával bevont fémeket használok.

A szitallok üvegkerámia anyagok, amelyeket üveg hőkezelésével (kristályosításával) nyernek. A legtöbb üvegkerámia a Li2O-Al2O3-SiO2-TiO2 és RO-Al2O3-SiO2-TiO2 (CO típusú CaO, MgO, BaO) rendszerben készült.

A legtöbb nagy szilárdságú, tűzálló kristályos anyagtól eltérően az üvegkerámia jó rugalmassággal rendelkezik a képződés során. Préselhető, húzható, hengerelhető és centrifugálható, és ellenáll a hirtelen hőmérséklet-változásoknak. Alacsony dielektromos veszteséggel rendelkezik, elektromos szilárdsága nem marad el a legjobb vákuumkerámiáktól, mechanikai szilárdsága 2-3-szor erősebb, mint az üvegé. A Sitall nem porózus, gáztömör, és magas hőmérsékleten jelentéktelen gázfejlődést mutat.

Mivel az üvegkerámiák többfázisú szerkezetűek, amikor különféle kémiai reagenseknek vannak kitéve, például a hordozó felületének szennyeződésektől való megtisztítására, lehetséges az egyes fázisok mély szelektív maratása, ami éles és mély dombormű kialakulásához vezet. az aljzat felületén. Az érdesség jelenléte az alapfelületen csökkenti a paraméterek reprodukálhatóságát és a vékonyréteg-ellenállások és kondenzátorok megbízhatóságát. Ezért a magasság csökkentése és a mikroegyenetlenségek széleinek simítása érdekében néha jó dielektromos és tapadó tulajdonságokkal rendelkező, valamint egyenletes szerkezetű anyagból (például több mikron vastagságú szilícium-monoxid réteg) alapozóréteget alkalmaznak. az aljzathoz.

Az üvegek közül hordozóként amorf szilikát üvegeket, alkálimentes C48-3 üveget, boroszilikátot és kvarcüveget használnak. A szilikátüvegeket oxidok folyékony olvadékából nyerik túlhűtéssel, melynek eredményeként megmarad a folyadék szerkezete, vagyis a jellegzetes amorf állapota. Bár az üvegek tartalmaznak kristályos fázisú területeket - krisztallitokat, ezek véletlenszerűen oszlanak el a teljes szerkezetben, a térfogat kis részét foglalják el, és nincs jelentős hatással az üveg amorf természetére.

A kvarcüveg egy egykomponensű szilikátüveg, amely szinte teljes egészében szilíciumból áll, és természetes fajtáinak olvasztásával nyerik. Nagyon alacsony hőtágulási együtthatója van, ez határozza meg kiemelkedően magas hőállóságát. Más üvegekhez képest a kvarcüveg közömbös a legtöbb kémiai reagenssel szemben. Bármilyen koncentrációjú szerves és ásványi savak (a hidrogén-fluorsav és foszforsav kivételével) még magasabb hőmérsékleten is szinte semmilyen hatást nem gyakorolnak a kvarcüvegre.

A kerámia aljzatok nagy porozitásuk miatt korlátozottan használhatók. Ezen aljzatok előnyei a nagy szilárdság és hővezető képesség. Például egy BeO alapú kerámia hordozó 200-250-szer nagyobb hővezető képességgel rendelkezik, mint az üvegé, ezért intenzív hőviszonyok között célszerű berillium kerámiát használni. A berillium kerámiák mellett nagy alumínium-oxid (94% Al2Oz) kerámiát, sűrű alumínium-oxidot, szteatit kerámiát és alumínium-oxid alapú mázas kerámiát használnak. Meg kell jegyezni, hogy a mázak 100 mikronnál kisebb vastagságúak, ezért alacsony teljesítményszinten nem képeznek észrevehető akadályt a film és a hordozó között. A kezeletlen kerámiák mikroérdessége több százszor nagyobb, mint az üvegeké, több ezer angströmöt is elér. Polírozással jelentősen csökkenthetők, de ez jelentősen szennyezi a kerámia felületet.

A szennyeződések jelenléte az aljzaton jelentős hatással van mind a tapadásra, mind a fóliák elektromos tulajdonságaira. Ezért a lerakódás előtt alaposan meg kell tisztítani az aljzatokat, valamint meg kell védeni azokat az olajfilmek megjelenésének lehetőségétől, amelyek a szivattyúkból a munkaközeg gőzeinek migrációja következtében keletkezhetnek. Hatékony tisztítási módszer a szubsztrátum felületének ionos bombázása izzítókisüléses plazmában. Erre a célra a vákuumberendezés munkakamrájában általában speciális elektródákat helyeznek el, amelyekhez kis teljesítményű nagyfeszültségű forrásból több kilovoltos feszültséget táplálnak. Az elektródák leggyakrabban alumíniumból készülnek, mivel a fémek közül ennek a legalacsonyabb a katódporlasztási sebessége.

Nem szabad megfeledkezni arról, hogy még kisebb szennyeződés is teljesen megváltoztathatja a film növekedési körülményeit. Ha a szennyeződések egymástól elszigetelt kis szigetek formájában helyezkednek el a hordozón, akkor attól függően, hogy melyik kötési energia nagyobb: a filmanyag és a szennyezőanyag között, vagy a filmanyag és a szubsztrátum között, film képződhet akár a felületen. ezeken a szigeteken vagy az aljzat csupasz részein.

A film adhéziója nagymértékben függ az oxidréteg jelenlététől, amely a film és a hordozó közötti leválasztási folyamat során keletkezhet. Ilyen oxidréteg képződik például a vas és a nikróm lerakódásakor, ami magyarázza e filmek jó tapadását. Az oxidációnak nem kitett aranyból készült fóliák rossz tapadásúak, ezért az arany és a hordozó között egy nagy tapadású anyagból egy közbenső alréteget kell létrehozni. Kívánatos, hogy a kapott oxidréteg a film és a hordozó közé koncentrálódjon. Ha az oxid eloszlik a filmben, vagy annak felületén helyezkedik el, akkor a film tulajdonságai jelentősen megváltozhatnak. Az oxidok képződését erősen befolyásolja a berendezés üzemi térfogatában visszamaradó gázok összetétele, és különösen a vízgőz jelenléte.

5. Vékonyréteg-ellenállások

A rezisztív fóliák gyártásához használt anyagoknak lehetővé kell tenniük az alacsony hőmérsékleti ellenállási együtthatójú (TCR) időstabil ellenállások széles skáláját, jó tapadást, nagy korrózióállóságot és tartósan magas hőmérsékletnek való kitettséget. Amikor az anyagot felvisszük a hordozóra, vékony, tiszta, összetett konfigurációjú vonalakat kell kialakítani a minta mintáról mintára jó megismételhetőségével.

A rezisztív fóliák leggyakrabban finomszemcsés diszpergált szerkezetűek. Az r diszperzió jelenléte, a fóliák szerkezete első közelítésben lehetővé teszi, hogy elektromos ellenállásukat az egyes szemcsék és a közöttük lévő akadályok teljes ellenállásának tekintsük, amelyben a teljes ellenállás jellege határozza meg a TK nagyságát és előjelét. .S. Így például, ha maguknak a szemcséknek az ellenállása a domináns, akkor a film vezetőképessége fémes jellegű, és a TCR pozitív lesz. Másrészt, ha az ellenállás az elektronoknak a szemcsék közötti réseken való áthaladásából adódik (ami általában kis filmvastagságnál fordul elő), akkor a vezetőképesség félvezető jellegű lesz, és a TCR ennek megfelelően negatív lesz.

A monolit IC gyártásban elsősorban nagy impedanciájú ellenállásokat használnak, hogy az ellenállások a lehető legkisebbek legyenek, ugyanolyan felbontással és tűréshatárral kell őket gyártani, mint a többi IC elemet. Ez kizárja a szabad fémmaszkok használatát az ellenállások szükséges konfigurációjának eléréséhez, és csak fotolitográfiával valósítható meg.

Mikroteljesítményű monolitikus IC-k kombinált technológiával történő gyártása során szükségessé válik, hogy a kristály viszonylag kis felületén nagy ellenállású, akár több megaohm ellenállású ellenállásokat helyezzenek el, ami csak akkor érhető el, ha az ellenállás anyaga Rs. (10--20) kOhm/ c. Az ellenállások gyártási folyamatát kombinálni kell a teljes szilícium IC sík vagy epitaxiális-sík technológiával történő gyártásának fő technológiai folyamatával. Például a rezisztív fóliák nem lehetnek érzékenyek a szilícium-nitridre, a foszforra, a boroszilikát üvegre és más anyagokra, amelyeket a szilícium lapkán lévő monolit IC-k előállításához használnak. Az IC tömítési folyamat során fellépő viszonylag magas hőmérsékletet (500-550°C) el kell viselniük, és bizonyos esetekben nem változtathatják meg tulajdonságaikat oxidáló környezet hatására. A monolitikus IC-k főként nikrómot és tantát használnak ellenállások előállításához.

A hibrid IC-k gyártása során a vékonyréteg-ellenállás anyagok sokkal szélesebb skáláját alkalmazzák.

Kis ellenállású fóliákként 10-300 Ohm Rs-rel. Króm, nikróm és t-tal filmeket használnak. A reprodukálható elektrofizikai tulajdonságokkal rendelkező krómfilmek előállítását némileg nehezíti, hogy a párolgás és a lerakódás során a maradék gázokkal kölcsönhatásba lépve vegyületeket (különösen oxidokat) képez. A króm-nikkel ötvözet (20% Cr és 80% Ni) alapú ellenállások lényegesen stabilabbak, a különböző szerkezeti módosítások miatt nagyon széles felületi ellenállással rendelkeznek (több Ohm/s-tól). -tantál több MOhm/s-ig kis sűrűségű tantálhoz ) A tantál-nitridet rendkívül stabil rezisztív anyagként is használják.

A fémkerámia fóliák és egyes fémek szilicid filmjeinek felhasználásával jelentős ellenállás-bővítés érhető el. Ezekben a rendszerekben leggyakrabban a krómot használják fémként, míg az átmeneti fémek oxidjait, boridjait, nitridjeit és szilicidjeit. egyes metalloidok oxidjait dielektrikumként használják. A króm-diszilicidből készült fóliák, valamint a szilícium, króm és nikkel ötvözetéből készült filmek Rs-értéke legfeljebb 5 kOhm/s; alapján készült filmekhez rendszerek króm --- szilícium-monoxid Rs, a krómtartalomtól függően, mértékegységtől több száz Ohm/s-ig változhat.

6. Vékony filmkondenzátorok

A vékonyréteg-kondenzátorok a háromrétegű szerkezet látszólagos egyszerűsége ellenére a legbonyolultabbak és a legmunkaigényesebbek a többi film passzív elemhez képest.

Ellentétben az ellenállásokkal, betétekkel és kapcsolókkal, amelyek gyártása során elegendő egy vagy két réteg (alréteg és réteg) felhordása, a vékonyréteg-kondenzátorok gyártásához legalább három réteg leválasztása szükséges: a fenéklemez, a dielektromos fólia, ill. a felső lemez (több lemez használata bonyolítja a kondenzátorok gyártási folyamatát és növeli azok költségét).

A dielektromos fóliák gyártásához használt anyagnak jól tapadnia kell a kondenzátorlemezekhez használt fémhez, sűrűnek kell lennie, és nem lehet kitéve mechanikai károsodásnak, ha hőmérsékleti ciklusoknak van kitéve, nagy áttörési feszültséggel és alacsony dielektromos veszteséggel kell rendelkeznie, nagy dielektrikummal kell rendelkeznie. állandó, nem bomlik le a párolgás és a lerakódás során, és minimális higroszkópossággal rendelkeznek.

A filmkondenzátorokban dielektrikumként leggyakrabban használt anyagok a szilícium-monoxid (Si0) és a germánium-monoxid (GeO). Az utóbbi években erre a célra alumínium-szilikát, boroszilikát és antimonidogermánium üvegeket használtak.

A legígéretesebb dielektrikumok a kompozit üvegszerű vegyületek, mivel az üveg összetételének megválasztásával és az üveges rendszerek aggregációs állapotának jellemzőinek megvalósításával vékonyréteg-fémben széles tartományban képesek megváltoztatni az elektrofizikai, fizikai-kémiai és termodinamikai tulajdonságokat. -dielektromos-fém szerkezetek.

7. Tantál és vegyületei filmjei

Az elmúlt években a tantál és vegyületei filmjei egyre szélesebb körben elterjedtek az integrált áramkörök filmelemeinek gyártásában. A tantál kiindulási anyagként való megválasztását nagyrészt az magyarázza, hogy a talllum filmek előállítási körülményeitől függően eltérő szerkezetűek lehetnek, és ennek megfelelően tág határok között változtathatják ellenállásukat és hőmérsékleti együtthatójukat.

Kristályszerkezetét és elektromos tulajdonságait tekintve a b-tantál fóliák állnak a legközelebb az ömlesztett mintához, durva-kristályos testközpontú szerkezettel rendelkeznek, és viszonylag alacsony az ellenállásuk (20-40 μOhm-cm). A k-tantáltól eltérően a tetragonális finomkristályos szerkezetű, 160-200 km Ohm * cm ellenállású p-tantál nem található meg nagy tömegű mintákban. A tantálnak ez a metastabil módosulata csak vékony filmekre jellemző.

A b - és c - tantál filmek előállítása általában katódporlasztással történik 4--5 kV feszültségen és 0,1--1 mA/cm2 áramsűrűség mellett. Ha csökkenti a feszültséget, és nem növeli az argonnyomást, a kisülési áram csökken, ami a lerakódási sebesség jelentős csökkenéséhez vezet. Ezzel kis sűrűségű, erősen porózus szerkezetű, (4--7)-10-3 µm pórusméretű filmeket állítanak elő, amelyek nagyobb számú k- vagy p-tantál szemcsékből állnak (3--5 kristálymérettel). ) * 10-2 µm. A filmek nagy porozitása és a fém-dielektromos keverékrendszer megjelenése a fajlagos ellenállás-növekedést (a b-tantálhoz képest kb. 200-szorosára) és hőmérsékleti együtthatójának változását okozza. Ha az argonhoz a maradék gázok hátterét jelentősen meghaladó mennyiségben adunk nitrogént, akkor két stabil állapotú, eltérő kristályszerkezetű és elektromos tulajdonságú tantál-nitrid filmeket kaphatunk, amelyek Ta2N és TaN.

A tantál többféle változatának (b- és b-tantál, kis sűrűségű tantál) és nitridjének jelenléte sokféle topológiai megoldás kiválasztását teszi lehetővé a mikroáramkörök passzív részének tervezésekor.

A tiszta b-tantál a filmben lévő nagy mechanikai igénybevételek és az aljzathoz való rossz tapadás miatt nem terjedt el széles körben a mikroáramkörök RC elemeinek gyártásában, és részben a kondenzátorok alsó lemezeinek gyártásához használják ellenállások gyártásához. Tantál-nitridből és kis sűrűségű tantálból készülnek ellenállások. Az alacsony sűrűségű tantál gyakorlati értéke abban rejlik, hogy rendkívül stabil vékonyréteg-ellenállásokat lehet előállítani (10 kOhm-tól több megaohmig), amelyek kis méretűek és egyszerű konfigurációval rendelkeznek. Kis sűrűségű tantálból sokkal könnyebben készíthetők vékonyréteg-kondenzátorok, mivel ebben az esetben a felső elektróda, valamint az alsó elektróda tantál porlasztásával nyerhető, míg normál sűrűségű tantál használatakor a felső elektródát próbálják megszerezni. Az elektróda ily módon gyakran a dielektromos réteg károsodását eredményezte. Ezenkívül az alacsony sűrűségű tantál lehetővé teszi elosztott paraméterű és állítható ellenállásértékű RC áramkörök előállítását, amelyek egy kondenzátor felső elektródájaként használhatók.

Az elektrolitikus vagy plazma eloxálással nyert tantál-pentoxid (Ta2O5) alacsony dielektromos veszteséggel rendelkezik, és egyaránt használható kondenzátor dielektrikumként és ellenállások szigetelőjeként vagy védőrétegeként. Ezenkívül az eloxálás használható a kondenzátorok és ellenállások értékének pontos beállítására. Az ionmaratás alkalmazása, valamint a tantál-nitrid, a tiszta tantál és oxidjainak különböző maratószerekben való oldhatósága lehetővé teszi a különféle módszerek alkalmazását a mikroáramkörök kívánt konfigurációjának eléréséhez.

Így a tantál alapú passzív elemek (ellenállások, kondenzátorok, összekötő vezetékek és érintkezőbetétek) csoportos gyártása biztosítható mind koncentrált, mind elosztott paraméterekkel, amelyek összetettségükben nem maradnak el az egyéb alapján készült elemektől. anyagokat, ugyanakkor lényegesen nagyobb pontossággal, stabilitással és megbízhatósággal rendelkeznek. A tantál sokoldalúsága és az egyéb anyagok használatának hiánya azt jelzi, hogy a passzív IC elemek túlnyomó többsége „tantál technológia” alapján gyártható.

Következtetés

Az integrált elektronika fejlesztésének jelenlegi szakaszát a működési frekvenciák további növelésére és a kapcsolási idők csökkentésére, a megbízhatóság növelésére, valamint az anyagköltségek és az IC gyártási folyamatának csökkentésére irányuló tendenciák jellemzik.

Az integrált áramkörök költségének csökkentése megköveteli minőségileg új elvek kidolgozását hasonló fizikai és kémiai jelenségeken alapuló gyártásukhoz, ami egyrészt előfeltétele a gyártási ciklus homogén technológiai műveleteinek későbbi integrálásának, ill. másrészt alapvetően megnyitja az összes művelet számítógépről történő vezérlésének képességét. A minőségi technológiai változtatások és az ipar műszaki újrafelszerelésének szükségességét a mikroelektronika fejlődésének következő szakaszába – a funkcionális elektronikába – való átállás is diktálja, amely optikai, mágneses, felületi és plazma jelenségeken, fázisátalakulásokon, elektronokon alapul. -fononkölcsönhatások, töltésfelhalmozódás és átvitel hatásai stb.

A technológiai folyamat „progresszívségének” kritériuma, valamint magának a terméknek a paramétereinek és jellemzőinek javítása, a magas gazdasági hatékonyság, amelyet számos magánjellegű, egymással összefüggő kritérium határoz meg, amelyek biztosítják a teljesen automatizált készletek felépítésének lehetőségét. , nagy teljesítményű berendezések hosszú élettartammal.

A legfontosabb konkrét kritériumok a következők:

univerzalitás, azaz a termelési ciklus teljes (vagy túlnyomó számú műveletének) ugyanazon technológiai módszerekkel történő végrehajtásának képessége;

folytonosság, amely előfeltétele a gyártási ciklus számos technológiai műveletének későbbi integrációjának (kombinációjának), kombinálva a jelentős számú termék vagy félkész termék egyidejű csoportos feldolgozásának lehetőségével;

a technológiai folyamat összes fő műveletének nagy sebessége vagy fokozódásuk lehetősége, például elektromos és mágneses mezők, lézersugárzás stb. hatására;

a paraméterek reprodukálhatósága minden műveletnél, valamint a félkész és megfelelő termékek magas hozama;

egy termék vagy félkész termék tervezésének gyárthatósága, amely megfelel az automatizált gyártás követelményeinek (automatizált rakodás, alapozás, beépítés, összeszerelés stb. lehetősége), aminek tükröződnie kell a forma egyszerűségében, valamint korlátozottan tűrések a teljes és alapméretekre vonatkozóan;

formalizálás, vagyis az egyes technológiai műveletek matematikai leírásának (algoritmusának) elkészítésének lehetősége (a termékparamétereknek a technológiai folyamat paramétereitől való analitikai függőségei alapján), majd a teljes technológiai folyamat számítógép segítségével történő vezérlése;

a folyamat alkalmazkodóképessége (vitalitása), azaz képes hosszú ideig létezni új versenyképes folyamatok folyamatos megjelenése és fejlődése körülményei között, valamint az új típusú termékek gyártásához szükséges berendezések gyors újjáépítésének képessége jelentős tőkeköltségek nélkül.

A felsorolt ​​kritériumok többségét teljesítik azok az eljárások, amelyek vákuumban és finomított gázokban előforduló elektronikus és ionos jelenségeket alkalmaznak, amelyek segítségével előállíthatók:

fémek, ötvözetek, dielektrikumok és félvezetők ionporlasztása különböző vastagságú és összetételű fóliák, összeköttetések, kapacitív szerkezetek, rétegközi szigetelés, rétegközi vezetékek előállítása céljából;

fémek, ötvözetek, félvezetők és dielektrikumok ionos marása az egyes lokalizált területek eltávolítása érdekében az IC-konfiguráció elérésekor;

plazma eloxálás oxidfilmek előállítására;

szerves filmek polimerizálása elektronokkal besugárzott területeken szerves szigetelőrétegek előállítására;

aljzatok felületének tisztítása és polírozása;

egykristályok termesztése;

anyagok elpárologtatása (beleértve a tűzállóakat is) és filmek átkristályosítása;

filmek mikromarása;

mikrohegesztés és mikroforrasztás az IC vezetékek csatlakoztatásához, valamint tömítőházak;

érintésmentes módszerek az IC-paraméterek figyelésére.

A felsorolt ​​folyamatok alapjául szolgáló fizikai és kémiai jelenségek közössége mutatja azok utólagos integrálásának alapvető lehetőségét annak érdekében, hogy új technológiai bázis jöjjön létre az integrált áramkörök és funkcionális elektronikai eszközök nagy teljesítményű automatizált gyártásához.

Közzétéve az Allbest.ru oldalon

Hasonló dokumentumok

Az integrált áramkörök fejlődésének rövid történeti háttere. Amerikai és szovjet tudósok, akik óriási mértékben járultak hozzá az integrált áramkörök fejlesztéséhez és továbbfejlesztéséhez. A mikroelektronika és a TS R12-2 első fejlesztéseinek vásárlói és fogyasztói.

absztrakt, hozzáadva: 2013.01.26


Integrált áramkörök létrehozása és mikroelektronika fejlesztése világszerte. Olcsó elektronikai berendezéselemek gyártása. Az integrált áramkörök fő csoportjai. Kilby elkészítette az első integrált áramkört. Az első félvezető integrált áramkörök a Szovjetunióban.

absztrakt, hozzáadva: 2013.01.22


Rövid műszaki információk a KR1095 PP1 termékről, a be- és kimenetek céljáról, a gyártási folyamatról. A fémezés összekapcsolásának szerepe integrált rendszerek és hibamechanizmusok gyártásában az elektromigráció következtében. Magnetron rendszerek fejlesztése.

szakdolgozat, hozzáadva: 2009.05.25


MOS tranzisztor topológiája és elemei Schottky diódával. Előállításának technológiai műveleteinek sorrendje. Félvezető integrált áramkörök gyártásának technológiai folyamatának kidolgozása. A felhasznált anyagok és reagensek jellemzői.

tanfolyami munka, hozzáadva 2012.12.06


A félvezető diódák működési elve, p-n átmenetek tulajdonságai, diffúzió és blokkolóréteg kialakítása. Diódák használata áram egyenirányítóként, a tranzisztorok tulajdonságai és alkalmazásai. Integrált áramkörök osztályozása és gyártástechnológiája.

bemutató, hozzáadva: 2010.05.29


Csomag nélküli félvezető integrált áramkörök fémfóliáinak hőviszonyainak szerkezeti problémái: fűtési diagram és az előzetes tervezés megbízhatóságának számítása. A fémezési vezető kialakításának és szerkezetének meghibásodási aránya.

absztrakt, hozzáadva: 2009.06.13


Félvezető anyagok elektrofizikai tulajdonságai, felhasználásuk félvezető eszközök és mikroelektronikai eszközök gyártásához. A szilárd testek sávelméletének alapjai. A félvezetők energiasávjai. A nanoelektronika fizikai alapjai.

tanfolyami munka, hozzáadva 2016.03.28


A félvezető integrált áramköri lapok gyártástechnológiájának elemzése - ilyen típusú mikroáramkörök, amelyek elemei a félvezető hordozó felületközeli rétegében készülnek. A monokristályos szilícium jellemzői. Növekvő egykristályok.

tanfolyami munka, hozzáadva 2010.12.03


Az elektronikai alkatrészek megbízhatósága, a bennük lévő alagúttörés és a meghatározásának módszerei. Integrált áramkörök fémezésének és érintkezőinek megbízhatósága, megbízhatóságuk paraméterei. Az integrált áramkörök diódáinak és bipoláris tranzisztorainak véletlenszerű meghibásodásának mechanizmusa.

absztrakt, hozzáadva: 2009.12.10


A síkosítás egy alacsony hőmérsékletű eljárás, amelynek során a lemez felületi domborzatát elsimítják. A kétszintű fémezés hibái. A vezető rétegek célja többrétegű fémezésben. MKM-D és MKM-A típusú többchipes modulok, jellemzők.