Fondasi fisik mikroelektronika. Fondasi fisik mikroelektronika, catatan kuliah Desain dan parameter generator berdasarkan dioda Gunn

Institut Politeknik Sarapul (cabang)

Lembaga pendidikan negara

pendidikan profesional yang lebih tinggi

"Universitas Teknik Negeri Izhevsk"

Departemen Siprus

Pekerjaan kursus

Disiplin: Landasan Fisika Mikroelektronika.

Tentang topik: Dislokasi. Vektor burger. Pengaruh dislokasi pada properti

bahan bangunan.

Selesai: Diperiksa:

siswa gr. 471 guru

Volkov A.V.

Sarapul, 2010

Perkenalan................................................. ....... .................. 1

Macam-macam dislokasi.................................................. .... ... ..2

Vektor kontur dan Burger................................................2-3

Gerakan dislokasi................................................ ... ...3-4

Kepadatan dislokasi................................................ ...4

Gaya yang bekerja pada dislokasi................................4-5

Energi dislokasi................................................ ... ..5

Reproduksi dan akumulasi dislokasi................................5-6

Dislokasi Frank dan sesar susun................6

Dislokasi dan sifat fisik kristal.....7

Ketergantungan kekuatan pada adanya dislokasi...7-8

Pertumbuhan kristal................................................ ...............8

Dislokasi dan daya hantar listrik................................8-9

Kesimpulan................................................. ...............10

Daftar referensi................................................. 11

Perkenalan

Teori dislokasi muncul pada tahun 50an. abad terakhir karena fakta bahwa perhitungan teoretis tentang kekuatan bahan berbeda secara signifikan dari perhitungan praktis.

Kekuatan geser teoritis suatu kristal pertama kali dihitung oleh Frenkel, berdasarkan model sederhana dari dua baris atom yang dipindahkan oleh tegangan geser. Jarak antarplanar (jarak antar baris) sama dengan A , dan jarak antar atom pada arah geser adalah sama dengan B . Di bawah tekanan geser τ barisan atom ini berpindah relatif satu sama lain, berakhir pada posisi setimbang di titik-titik seperti A , DI DALAM Dan DENGAN , D , dimana tegangan geser yang diperlukan untuk konfigurasi geser tertentu adalah nol. Pada posisi tengah, tegangan geser memiliki nilai berhingga, yang secara periodik mengubah volume kisi. Asumsikan tegangan geser τ akan menjadi fungsi offset X dengan titik B :

(1.1)

Untuk offset kecil:

(1.2)

Menggunakan hukum Hooke:

, (1.3)

di mana G adalah modulus geser, dan – deformasi geser, carilah koefisien proporsionalitasnya Ke :

(1.4)

Mengganti nilai ini Ke di (1.1) kita mendapatkan:

(1.5)

Nilai maksimum τ , sesuai dengan tegangan di mana kisi menjadi tidak stabil:

Dapat diterima sebuah ≈ B , maka tegangan geser

Tegangan geser teoretis berbagai bahan yang dihitung dengan cara ini ternyata jauh lebih tinggi dibandingkan nilai praktisnya. Jadi untuk tembaga

nilai teoretis

= 760 kgf/mm, dan nilai praktis untuk kristal asli = 100 kgf/mm.

Karena perbedaan yang kuat antara hasil teoritis dan praktis, diasumsikan adanya cacat linier mikroskopis dan dislokasi dalam kristal.

Dislokasi adalah diskontinuitas perpindahan antara dua bagian kristal, salah satu bagiannya mengalami perpindahan dan bagian lainnya tidak. Dengan demikian, deformasi diwakili oleh lintasan dislokasi yang berurutan sepanjang bidang slip, dan bukan oleh geseran simultan di seluruh kristal.

Jenis dislokasi.

Ada dua jenis dislokasi utama: tepi dan sekrup.

1. Dislokasi tepi.

Model dislokasi tepi dapat direpresentasikan dengan memotong celah pada suatu benda padat elastis ABCD , berakhir di sepanjang garis AB di dalam bagian ini (Gbr. 1). Materi di satu sisi bergerak, menciptakan sebuah langkah CDEF . Garis A B , sesuai dengan ujung celah, adalah batas antara material yang terdeformasi dan tidak terdeformasi, menentukan titik-titik di mana garis dislokasi keluar dari permukaan benda.

Gambar.1 Gambar.2

Gambar 2 menunjukkan model visual dislokasi tepi pada kisi kubik sederhana. Dislokasi tepi disebabkan oleh adanya tambahan setengah bidang A yang tegak lurus terhadap bidang slip B (Gbr. 2).

Setengah bidang tambahan dapat berada di atas bidang slip (seperti pada Gambar 2), maka dislokasi disebut positif; jika setengah bidang berada di bawah maka negatif.

2. Dislokasi sekrup:

Model dislokasi ulir mirip dengan dislokasi tepi, namun arah dislokasi ulir sejajar dengan garis AB maka terbentuklah langkah ADEF (Gbr. 3).

Gambar 3 Model dislokasi sekrup.

Garis besar dan vektor burger:

Untuk menggambarkan dislokasi pada kristal, konsep kontur dan vektor Burgers diperkenalkan. Kontur yang digambar dalam kisi sempurna adalah persegi panjang tertutup yang vektor terakhirnya sampai ke titik awal pada Gambar 4. Kontur yang menutupi dislokasi mempunyai diskontinuitas, dan vektor yang harus ditarik agar kontur tersebut menutup disebut vektor Burgers, dan kontur yang ditarik disebut kontur Burgers. Vektor Burgers menentukan besaran dan arah keruntuhan; biasanya sama dengan satu jarak antar atom dan konstan sepanjang dislokasi, terlepas dari apakah arah atau lokasinya berubah. Dalam kristal sempurna, vektor Burgers adalah nol. Dalam kristal dengan dislokasi tepi, ia sejajar dengan arah slip dan sesuai dengan vektor slip pada Gambar 5. Pada kristal dengan dislokasi ulir, tegak lurus terhadap bidang slip Gambar 6

Gambar.4 Gambar.5 Gambar.6

Dalam kristal, dislokasi juga mungkin terjadi yang terletak seluruhnya di dalam kristal, dan tidak meluas ke permukaannya, seperti yang dibahas di atas. Dislokasi dalam kristal dapat diinterupsi pada dislokasi lain, pada batas butir, dan antarmuka lainnya. Oleh karena itu, loop dislokasi atau jaringan dislokasi yang saling berhubungan dimungkinkan terjadi di dalam kristal. Dislokasi semacam itu dapat dipisahkan dari daerah yang tidak terdeformasi dengan garis dislokasi yang berbentuk cincin atau lingkaran, khususnya dapat diperoleh dengan menekan suatu benda ke dalam kristal. Gambar 7 menunjukkan pembentukan dislokasi prismatik dengan lekukan pada area ABCD.

Dalam hal ini terbentuk dislokasi tepi dan ulir, vektor Burgers, yang merupakan jumlah vektor komponen dislokasi: (1.6)

Pada titik di mana tiga dislokasi bergabung, vektor-vektor Burgersnya dihubungkan oleh relasi:

(1.7)

Gerakan dislokasi.

Sifat penting dislokasi adalah kemampuannya untuk bergerak di bawah pengaruh tekanan mekanis. Misalkan segmen dasar dl dari dislokasi campuran dengan vektor Burgers b bergerak ke arah dz. Volume yang dibangun berdasarkan ketiga vektor ini:

dV = (dz×dl) b, (1.8)

setara dengan volume material yang bergerak dalam kristal ketika dislokasi bergerak. Jika V=0, maka pergerakan dislokasi tidak disertai perpindahan massa atau perubahan volume kristal. Ini adalah gerakan konservatif, atau gerakan meluncur. Untuk dislokasi tepi dan campuran yang vektor Burgers b tidak sejajar dengan garis dislokasi dl, slip terjadi pada bidang yang ditentukan oleh vektor b dan dl: ekspresi (1.8) sama dengan nol jika dz terletak pada bidang yang sama dengan vektor b dan dl. Jelasnya, bidang geser suatu tepi atau dislokasi campuran adalah bidang di mana dislokasi dan vektor Burgersnya berada. Dislokasi tepi sangat mobile pada bidang slipnya sendiri. Pergerakan dislokasi tepi dapat direpresentasikan sebagai pergerakan bertahap berurutan dari atom-atom yang berdekatan sepanjang garis dislokasi, disertai dengan redistribusi ikatan antar atom-atom tersebut. Setelah setiap peristiwa tersebut, dislokasi berpindah satu jarak antar atom. Dalam hal ini, tegangan yang menyebabkan pergerakan dislokasi jauh lebih kecil dibandingkan tegangan geser material. Akibat pergerakan tersebut, dislokasi dapat mencapai permukaan kristal dan menghilang. Dengan demikian, daerah kristal yang dipisahkan oleh bidang slip, setelah pelepasan dislokasi, akan bergeser sebesar satu jarak antar atom (Gbr. 8).

Kementerian Pendidikan Federasi Rusia

Universitas Teknik Negeri Oryol

Departemen Fisika

ABSTRAK

pada topik: “Efek Gunn dan penggunaannya pada dioda yang beroperasi dalam mode generator.”

Disiplin: “Dasar fisik mikroelektronika”

Diselesaikan oleh mahasiswa kelompok 3–4 Senator D.G.

Pengawas:

Burung rajawali. 2000

Efek Gunn dan penggunaannya pada dioda yang beroperasi dalam mode generator.

Untuk memperkuat dan menghasilkan osilasi gelombang mikro, ketergantungan anomali kecepatan elektron pada kuat medan listrik pada beberapa senyawa semikonduktor, terutama pada galium arsenida, dapat digunakan. Dalam hal ini, peran utama dimainkan oleh proses yang terjadi di sebagian besar semikonduktor, dan bukan di dalamnya P - N-transisi. Generasi osilasi gelombang mikro dalam sampel GaAs homogen N-tipe dengan kuat medan listrik konstan di atas nilai ambang batas pertama kali diamati oleh J. Gunn pada tahun 1963 (oleh karena itu, perangkat tersebut disebut dioda Gunn). Dalam sastra Rusia mereka juga disebut perangkat dengan ketidakstabilan volumetrik atau dengan transfer elektron intervalley, karena sifat aktif dioda ditentukan oleh transisi elektron dari lembah energi "pusat" ke "samping", di mana elektron tersebut dicirikan oleh massa efektif yang besar dan mobilitas yang rendah. Dalam literatur asing, nama belakang berhubungan dengan istilah TED ( Perangkat Elektron yang Ditransfer).

Dalam medan lemah, mobilitas elektron tinggi dan berjumlah 6000–8500 cm 2 /(Vs). Ketika kuat medan lebih tinggi dari 3,5 kV/cm, karena transisi beberapa elektron ke lembah “samping”, kecepatan penyimpangan rata-rata elektron menurun seiring dengan meningkatnya medan. Nilai modulus mobilitas diferensial tertinggi di bagian jatuh kira-kira tiga kali lebih rendah dibandingkan mobilitas di medan lemah. Pada kuat medan di atas 15–20 kV/cm, kecepatan elektron rata-rata hampir tidak bergantung pada medan dan sekitar 10 7 cm/s, sehingga rasionya , dan karakteristik medan kecepatan dapat diperkirakan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Waktu untuk membentuk konduktivitas diferensial negatif (NDC) adalah jumlah waktu pemanasan gas elektron di lembah “pusat” (~10–12 detik untuk GaAs), ditentukan oleh konstanta waktu relaksasi energi dan interval waktu transisi ( ~5–10–14 detik).

Kita dapat berharap bahwa kehadiran bagian jatuh dari karakteristik di wilayah NDC dengan distribusi medan listrik yang seragam sepanjang sampel GaAs yang didoping secara seragam akan menyebabkan munculnya bagian jatuh pada karakteristik tegangan-arus dioda, karena nilai arus konveksi yang melalui dioda didefinisikan sebagai , dimana ; -luas penampang; – panjang sampel antara kontak. Pada bagian ini, dioda akan memiliki konduktivitas aktif negatif dan dapat digunakan untuk menghasilkan dan memperkuat osilasi yang mirip dengan dioda terowongan. Namun dalam praktiknya, penerapan rezim seperti itu pada sampel bahan semikonduktor dengan NDC sulit dilakukan karena ketidakstabilan muatan medan dan ruang. Seperti yang ditunjukkan pada § 8.1, fluktuasi muatan ruang dalam hal ini menyebabkan peningkatan muatan ruang menurut hukum

dimana konstanta relaksasi dielektrik; –konsentrasi elektron pada aslinya N-GaA. Dalam sampel homogen yang diberi tegangan konstan , peningkatan lokal dalam konsentrasi elektron menyebabkan munculnya lapisan bermuatan negatif (Gbr. 2), bergerak sepanjang sampel dari katoda ke anoda.

Gambar.1. Perkiraan ketergantungan kecepatan penyimpangan elektron pada kekuatan medan listrik untuk GaAs.

Gambar.2. Untuk menjelaskan proses pembentukan lapisan akumulasi pada GaAs yang didoping secara seragam.

Yang kami maksud dengan katoda adalah kontak dengan sampel yang diberi potensial negatif. Medan listrik internal yang timbul dalam hal ini ditumpangkan pada medan konstan, meningkatkan kuat medan di sebelah kanan lapisan dan menurunkannya ke kiri (Gbr. 2, a). Kecepatan elektron di sebelah kanan lapisan berkurang, dan di sebelah kiri meningkat. Hal ini menyebabkan pertumbuhan lebih lanjut dari lapisan akumulasi bergerak dan redistribusi lapangan dalam sampel (Gbr. 2, b). Biasanya, lapisan muatan ruang berinti di katoda, karena di dekat kontak ohmik katoda terdapat daerah dengan konsentrasi elektron yang meningkat dan kuat medan listrik yang rendah. Fluktuasi yang terjadi di dekat kontak anoda akibat pergerakan elektron menuju anoda tidak sempat berkembang.

Namun distribusi medan listrik tersebut tidak stabil dan jika terdapat ketidakhomogenan dalam sampel dalam bentuk lonjakan konsentrasi, mobilitas atau suhu, hal tersebut dapat berubah menjadi apa yang disebut domain medan yang kuat. Kuat medan listrik berhubungan dengan konsentrasi elektron melalui persamaan Poisson, yang untuk kasus satu dimensi berbentuk

(1)

Peningkatan medan listrik pada sebagian sampel akan disertai dengan munculnya muatan ruang pada batas area tersebut, negatif pada sisi katoda dan positif pada sisi anoda (Gbr. 3, a). Dalam hal ini, kecepatan elektron di dalam wilayah tersebut berkurang sesuai dengan Gambar 1. Elektron dari sisi katoda akan mengejar elektron di dalam area ini, sehingga muatan negatif meningkat dan terbentuk lapisan kaya elektron. Elektron dari sisi anoda akan bergerak maju, sehingga muatan positif meningkat dan lapisan yang terkuras terbentuk di dalamnya. Hal ini menyebabkan peningkatan lebih lanjut dalam medan di daerah fluktuasi ketika muatan bergerak menuju anoda dan peningkatan luas daerah dipol muatan ruang. Jika tegangan yang diberikan ke dioda dijaga konstan, maka seiring bertambahnya domain dipol, medan di luarnya akan berkurang (Gbr. 3, b). Peningkatan medan di dalam domain akan berhenti ketika kecepatannya sama dengan kecepatan elektron di luar domain. Jelas sekali . Kuat medan listrik di luar domain (Gbr. 3, c) akan berada di bawah kuat ambang batas, sehingga tidak mungkin terjadi transisi interval elektron di luar domain dan pembentukan domain lain hingga domain lain yang sebelumnya terbentuk di domain hilang. anoda. Setelah pembentukan domain medan tinggi yang stabil, arus yang melalui dioda tetap konstan selama pergerakannya dari katoda ke anoda.

Gambar.3. Untuk menjelaskan proses pembentukan domain dipol.

Setelah domain menghilang di anoda, kekuatan medan sampel meningkat, dan ketika mencapai nilai , pembentukan domain baru dimulai. Dalam hal ini, arus mencapai nilai maksimum sama dengan (Gbr. 4, c)

(2)

Mode pengoperasian dioda Gunn disebut modus penerbangan. Dalam mode transit, arus yang melalui dioda terdiri dari pulsa-pulsa yang mengikuti suatu periode . Dioda menghasilkan osilasi gelombang mikro dengan frekuensi terbang , ditentukan terutama oleh panjang sampel dan sedikit bergantung pada beban (fluktuasi inilah yang diamati Gunn saat mempelajari sampel dari GaAs dan InP).

Proses elektronik dalam dioda Gunn harus dipertimbangkan dengan mempertimbangkan persamaan Poisson, kontinuitas dan rapat arus total, yang untuk kasus satu dimensi berbentuk sebagai berikut:

; (3)

. (4)

Gambar.4. Rangkaian ekivalen generator dioda Gunn (a) dan ketergantungan waktu pada tegangan (b) dan arus melalui dioda Gunn dalam mode transit (c) dan dalam mode dengan penundaan (d) dan redaman domain (e).

Tegangan sesaat melintasi dioda. Arus total tidak bergantung pada koordinat dan merupakan fungsi waktu. Koefisien difusi sering dianggap tidak bergantung pada medan listrik.

Tergantung pada parameter dioda (derajat dan profil doping material, panjang dan luas penampang sampel dan suhunya), serta pada tegangan suplai dan sifat beban, dioda Gunn, sebagai generator dan penguat gelombang mikro, dapat beroperasi dalam berbagai mode: domain, membatasi akumulasi muatan ruang (ONZ, dalam literatur asing LSA – Akumulasi Muatan Ruang Terbatas), hibrida, gelombang perjalanan muatan ruang, konduktivitas negatif.

Mode operasi domain.

Mode operasi domain dioda Gunn dicirikan oleh adanya domain dipol yang terbentuk dalam sampel selama sebagian besar periode osilasi. Ciri-ciri domain dipol stasioner dibahas secara rinci pada [?], yang menunjukkan bahwa dari (1), (3) dan (4) maka kecepatan domain dan kuat medan maksimum di dalamnya berhubungan. aturan luas yang sama

. (5)

Sesuai dengan (5), luas yang diarsir pada Gambar 5 a dan dibatasi oleh garis adalah sama. Terlihat dari gambar, kuat medan maksimum di dalam domain jauh melebihi kuat medan di luar domain dan dapat mencapai puluhan kV/cm.

Gambar.5. Untuk menentukan parameter domain dipol.

Gambar 5, b menunjukkan ketergantungan tegangan domain pada kuat medan listrik di luarnya, dimana adalah panjang domain (Gbr. 3, c). Di sana, sebuah “jalur instrumen” dari sebuah dioda dengan panjang pada tegangan tertentu dibangun, dengan mempertimbangkan fakta bahwa tegangan total yang melintasi dioda adalah . Titik persimpangan A menentukan tegangan domain dan kekuatan medan di luarnya. Harus diingat bahwa domain terjadi pada tegangan konstan , namun, ia juga bisa ada ketika, ketika domain bergerak menuju anoda, tegangan melintasi dioda turun ke nilai tertentu (garis putus-putus pada Gambar 5, b). Jika tegangan pada dioda diturunkan lebih lanjut sehingga menjadi lebih kecil dari tegangan pemadaman domain, maka domain yang dihasilkan akan teratasi. Tegangan redaman berhubungan dengan momen “garis lurus instrumen” menyentuh garis pada Gambar 5, b.

Dengan demikian, tegangan hilangnya domain ternyata lebih kecil dari tegangan ambang pembentukan domain. Seperti dapat dilihat dari Gambar 5, karena ketergantungan yang tajam dari tegangan berlebih pada domain pada kekuatan medan di luar domain, medan di luar domain dan kecepatan domain berubah sedikit ketika tegangan pada dioda berubah. Tegangan berlebih diserap terutama di domain. Sudah di kecepatan domain hanya sedikit berbeda dari kecepatan saturasi dan kira-kira dapat dianggap , dan , oleh karena itu, frekuensi penerbangan, sebagai karakteristik dioda, biasanya ditentukan oleh ekspresi:

(6)

Panjang domain bergantung pada konsentrasi pengotor donor, serta tegangan pada dioda, dan berkisar antara 5–10 μm. Penurunan konsentrasi pengotor menyebabkan perluasan domain karena peningkatan lapisan penipisan. Pembentukan domain terjadi dalam waktu yang terbatas dan dikaitkan dengan pembentukan konduktivitas diferensial negatif dan peningkatan muatan ruang. Konstanta waktu pertumbuhan muatan ruang dalam mode gangguan kecil sama dengan konstanta relaksasi dielektrik dan ditentukan oleh mobilitas diferensial negatif dan konsentrasi elektron. Pada nilai maksimal, sedangkan waktu pendirian ODP lebih singkat. Dengan demikian, waktu pembentukan domain sebagian besar ditentukan oleh proses redistribusi muatan ruang. Hal ini tergantung pada ketidakhomogenan medan awal, tingkat doping dan tegangan yang diberikan.

Gambar6. Dioda Gunn.

Diperkirakan bahwa Domain akan memiliki waktu untuk terbentuk sepenuhnya pada waktu berikut:

dimana dinyatakan dalam . Masuk akal untuk membicarakan mode domain hanya jika domain memiliki waktu untuk terbentuk selama penerbangan elektron dalam sampel. Oleh karena itu, syarat keberadaan domain dipol adalah salah satu .

Hasil kali konsentrasi elektron dan panjang sampel disebut kritis dan menunjukkan . Nilai ini adalah batas antara mode domain dioda Gunn dan mode dengan distribusi medan listrik yang stabil dalam sampel yang didoping secara seragam. Ketika domain medan kuat tidak terbentuk, sampel dipanggil stabil. Berbagai mode domain dimungkinkan. Kriteria tipe berlaku, sebenarnya, hanya untuk struktur yang panjang lapisan aktif antara katoda dan anoda jauh lebih kecil daripada dimensi transversal: (Gbr. 6, a), yang sesuai dengan masalah satu dimensi dan khas untuk planar dan mesastruktur. Struktur film tipis (Gbr. 6, b) memiliki lapisan aktif GaAs epitaksi 1 panjangnya dapat ditempatkan di antara substrat dengan resistansi tinggi 3 dan isolasi film dielektrik 2 dibuat, misalnya, dari SiO 2. Kontak anoda dan katoda ohmik dibuat menggunakan metode fotolitografi. Ukuran melintang suatu dioda dapat dibandingkan dengan panjangnya. Dalam hal ini, muatan ruang yang terbentuk selama pembentukan domain menciptakan medan listrik internal yang tidak hanya memiliki komponen memanjang, tetapi juga komponen melintang (Gbr. 6, c). Hal ini menyebabkan penurunan bidang dibandingkan dengan masalah satu dimensi. Ketika ketebalan film aktif kecil, ketika , kriteria tidak adanya ketidakstabilan domain digantikan oleh kondisi . Untuk struktur seperti itu, dengan distribusi medan listrik yang stabil, bisa lebih besar.

Waktu pembentukan domain tidak boleh melebihi setengah siklus osilasi gelombang mikro. Oleh karena itu, ada kondisi kedua untuk keberadaan domain bergerak, yang darinya, dengan memperhatikan (1), kita peroleh .

Bergantung pada rasio waktu penerbangan dan periode osilasi gelombang mikro, serta pada nilai tegangan konstan dan amplitudo tegangan frekuensi tinggi, mode domain berikut dapat diwujudkan: penerbangan-of- penerbangan, mode dengan penundaan domain, mode dengan penekanan (quenching) domain. Mari kita perhatikan proses yang terjadi dalam mode ini dalam kasus dioda Gunn yang beroperasi pada beban dalam bentuk rangkaian osilasi paralel dengan resistansi aktif pada frekuensi resonansi dan dioda ditenagai oleh generator tegangan dengan resistansi internal rendah (lihat Gambar 4a). Dalam hal ini, tegangan melintasi dioda berubah menurut hukum sinusoidal. Generasi dimungkinkan pada .

Pada resistansi beban rendah, kapan, dimana – resistansi dioda Gunn dalam medan lemah, amplitudo tegangan frekuensi tinggi kecil dan tegangan sesaat melintasi dioda melebihi nilai ambang batas (lihat Gambar 4b, kurva 1). Di sini, mode transit yang dipertimbangkan sebelumnya terjadi, ketika setelah pembentukan domain, arus yang melalui dioda tetap konstan dan sama (lihat Gambar 9.39, c). Ketika domain menghilang, arus meningkat menjadi . Untuk GaA. Frekuensi osilasi dalam mode penerbangan adalah . Karena rasionya kecil, efisiensinya Jumlah generator dioda Gunn yang beroperasi dalam mode transit sedikit dan mode ini biasanya tidak memiliki aplikasi praktis.

Ketika dioda beroperasi pada rangkaian dengan resistansi tinggi, ketika , amplitudo tegangan bolak-balik bisa sangat besar, sehingga selama beberapa bagian periode tegangan sesaat pada dioda menjadi lebih kecil dari ambang batas (sesuai dengan kurva 2 pada Gambar .4b). Dalam hal ini yang mereka bicarakan mode dengan penundaan dalam pembentukan domain. Domain terbentuk ketika tegangan pada dioda melebihi ambang batas, yaitu pada suatu saat (lihat Gambar 4, d). Setelah pembentukan domain, arus dioda berkurang dan tetap demikian selama waktu penerbangan domain. Ketika domain menghilang pada anoda pada suatu waktu, tegangan pada dioda kurang dari ambang batas dan dioda mewakili resistansi aktif. Perubahan arus sebanding dengan tegangan pada dioda sampai arus mencapai nilai maksimumnya dan tegangan pada dioda sama dengan ambang batas. Pembentukan domain baru dimulai, dan seluruh proses berulang. Durasi pulsa saat ini sama dengan waktu tunda pembentukan domain baru. Waktu pembentukan domain dianggap singkat dibandingkan dengan dan . Jelas, mode seperti itu dimungkinkan jika waktu penerbangan berada dalam batas dan frekuensi osilasi yang dihasilkan berada dalam batas yang ditentukan .

Dengan amplitudo tegangan frekuensi tinggi yang lebih besar sesuai dengan kurva 3 pada Gambar 4b, tegangan minimum pada dioda mungkin lebih kecil dari tegangan pendinginan dioda. mode dengan penekanan domain(lihat Gambar 4, d). Sebuah domain terbentuk pada suatu titik waktu dan larut pada suatu titik waktu ketika domain baru mulai terbentuk setelah tegangan melebihi nilai ambang batas. Karena hilangnya domain tidak terkait dengan pencapaiannya di anoda, waktu penerbangan elektron antara katoda dan anoda dalam mode pendinginan domain dapat melebihi periode osilasi: . Jadi, dalam mode redaman. Batas atas frekuensi yang dihasilkan dibatasi oleh kondisi dan dapat .

Efisiensi elektronik generator berdasarkan dioda Gunn yang beroperasi dalam mode domain dapat ditentukan dengan memperluas fungsi arus menjadi deret Fourier (lihat Gambar 4) untuk mencari amplitudo komponen harmonik pertama dan arus searah. Nilai efisiensi bergantung pada relasi , , , dan pada nilai optimal tidak melebihi 6% untuk dioda GaAs dalam mode penundaan domain. Efisiensi elektronik dalam mode pendinginan domain lebih sedikit daripada mode penundaan domain.

Modus ONOZ.

Beberapa saat kemudian, mode domain diusulkan dan diimplementasikan untuk dioda Gunn mode membatasi akumulasi muatan ruang. Itu ada pada tegangan konstan pada dioda, beberapa kali lebih tinggi dari nilai ambang batas, dan amplitudo tegangan besar pada frekuensi beberapa kali lebih tinggi dari frekuensi penerbangan. Untuk mengimplementasikan mode ONOS, diperlukan dioda dengan profil doping yang sangat seragam. Distribusi medan listrik dan konsentrasi elektron yang seragam di sepanjang sampel dipastikan karena tingginya laju perubahan tegangan melintasi dioda. Jika periode waktu di mana intensitas medan listrik melewati wilayah karakteristik NDC jauh lebih kecil daripada waktu pembentukan domain, maka tidak ada redistribusi muatan medan dan ruang yang nyata sepanjang dioda. Kecepatan elektron di seluruh sampel “mengikuti” perubahan medan listrik, dan arus yang melalui dioda ditentukan oleh ketergantungan kecepatan pada medan (Gbr. 7).

Jadi, dalam mode ONOS, konduktivitas negatif dioda digunakan untuk mengubah energi sumber listrik menjadi energi osilasi gelombang mikro. Dalam mode ini, selama sebagian periode osilasi, tegangan melintasi dioda tetap kurang dari ambang batas dan sampel berada dalam keadaan yang ditandai dengan mobilitas elektron positif, yaitu muatan ruang yang sempat terbentuk pada saat listrik medan di dioda berada di atas ambang batas, larut.

Kami kira-kira akan menuliskan kondisi peningkatan muatan yang lemah dari waktu ke waktu dalam bentuk , Di mana ; adalah nilai rata-rata mobilitas elektron diferensial negatif di wilayah tersebut. Resorpsi muatan ruang pada waktunya, akan efektif jika dan di mana ; dan – konstanta waktu relaksasi dielektrik dan mobilitas elektron dalam medan lemah.

Perhitungan , , kita punya . Ketimpangan ini menentukan kisaran nilai di mana mode ONZ diterapkan.

Efisiensi elektronik generator dioda Gunn dalam mode ONOS dapat dihitung dari bentuk arus (Gbr. 7). Pada Efisiensi maksimum adalah 17%.

Gambar.7. Ketergantungan waktu arus pada dioda Gunn dalam mode ONOS.

Dalam mode domain, frekuensi osilasi yang dihasilkan kira-kira sama dengan frekuensi penerbangan. Oleh karena itu, panjang dioda Gunn yang beroperasi dalam mode domain berhubungan dengan rentang frekuensi operasi melalui ekspresi

dimana dinyatakan dalam GHz, dan – dalam mikron. Dalam mode ONOS, panjang dioda tidak bergantung pada frekuensi operasi dan bisa berkali-kali lipat lebih panjang dari panjang dioda yang beroperasi pada frekuensi yang sama dalam mode domain. Hal ini memungkinkan Anda meningkatkan daya generator dalam mode ONO secara signifikan dibandingkan dengan generator yang beroperasi dalam mode domain.

Proses yang dipertimbangkan dalam dioda Gunn dalam mode domain pada dasarnya diidealkan, karena proses tersebut diwujudkan pada frekuensi yang relatif rendah (1-3 GHz), di mana periode osilasi jauh lebih kecil daripada waktu pembentukan domain, dan panjang dioda jauh lebih besar daripada panjang domain pada tingkat doping konvensional . Paling sering, dioda Gunn gelombang kontinu digunakan pada frekuensi yang lebih tinggi dalam apa yang disebut mode hybrid. Mode Hibrid Pengoperasian dioda Gunn adalah perantara antara mode ONOS dan domain. Biasanya untuk mode hibrid, pembentukan domain menghabiskan sebagian besar periode osilasi. Domain yang tidak terbentuk sempurna teratasi ketika tegangan sesaat pada dioda turun ke nilai di bawah ambang batas. Kuat medan listrik di luar wilayah peningkatan muatan ruang secara umum tetap lebih besar dari ambang batas. Proses yang terjadi pada dioda dalam mode hybrid dianalisis menggunakan komputer menggunakan persamaan (1), (3) dan (4). Mode hybrid menempati rentang nilai yang luas dan tidak sensitif terhadap parameter rangkaian seperti mode ONOZ.

Mode ONOS dan mode operasi hibrid dioda Gunn diklasifikasikan sebagai mode eksitasi diri “keras”, yang dicirikan oleh ketergantungan konduktivitas elektronik negatif pada amplitudo tegangan frekuensi tinggi. Menempatkan generator ke mode hybrid (dan juga mode ONOZ) adalah tugas yang kompleks dan biasanya dilakukan dengan mentransisikan dioda secara berurutan dari mode transit ke mode hybrid.

Gambar.8. Efisiensi elektronik generator dioda GaAs Gunn untuk berbagai mode operasi:

1–dengan penundaan pembentukan domain

2–dengan penindasan domain

Gambar.9. Ketergantungan waktu pada tegangan (a) dan arus (b) dioda Gunn dalam mode efisiensi tinggi.

3-hibrida

Desain dan parameter generator berdasarkan dioda Gunn.

Gambar 8 menunjukkan nilai efisiensi elektronik maksimum. Dioda GaAs Gunn dalam berbagai mode operasi. Terlihat nilainya tidak melebihi 20%. Meningkatkan efisiensi generator berdasarkan dioda Gunn dimungkinkan melalui penggunaan sistem osilasi yang lebih kompleks, yang memungkinkan untuk memberikan ketergantungan waktu dari arus dan tegangan pada dioda, yang ditunjukkan pada Gambar 9. Perluasan fungsi dan deret Fourier di dan memberikan nilai efisiensi elektronik untuk dioda GaAs Gunn sebesar 25%. Perkiraan yang cukup baik terhadap kurva optimal diperoleh dengan menggunakan harmonik tegangan kedua. Cara lain untuk meningkatkan efisiensi terdiri dari penggunaan bahan dengan rasio tinggi pada dioda Gunn. Jadi, untuk indium fosfida mencapai 3,5, yang meningkatkan efisiensi elektronik teoritis dioda hingga 40%.

Perlu diingat bahwa efisiensi elektronik generator berdasarkan dioda Gunn berkurang pada frekuensi tinggi, ketika periode osilasi menjadi sepadan dengan waktu pembentukan NDC (ini sudah terwujud pada frekuensi ~30 GHz). Inersia proses yang menentukan ketergantungan kecepatan hanyut rata-rata elektron pada medan menyebabkan penurunan komponen antifase arus dioda. Frekuensi pembatas dioda Gunn yang terkait dengan fenomena ini diperkirakan ~100 GHz untuk perangkat GaAs dan 150–300 GHz untuk perangkat InP.

Daya keluaran dioda Gunn dibatasi oleh proses listrik dan termal. Pengaruh yang terakhir mengarah pada ketergantungan daya maksimum pada frekuensi dalam bentuk , di mana konstanta ditentukan oleh panas berlebih yang diizinkan pada struktur, karakteristik termal material, dan efisiensi elektronik. dan kapasitas dioda. Keterbatasan mode kelistrikan disebabkan oleh fakta bahwa pada daya keluaran tinggi, amplitudo osilasi sepadan dengan tegangan konstan pada dioda: .

Dalam mode domain oleh karena itu sesuai dengan kita punya:

di mana adalah resistansi beban ekivalen, dihitung ulang ke terminal dioda dan sama dengan modul resistansi negatif aktif LPD.

Kekuatan medan listrik maksimum dalam domain secara signifikan melebihi nilai medan rata-rata dalam dioda, pada saat yang sama harus lebih kecil dari kekuatan kerusakan di mana terjadi kerusakan longsoran material (untuk GaAs ). Biasanya nilai medan listrik yang diperbolehkan dianggap .

Seperti halnya LPD, pada frekuensi yang relatif rendah (dalam rentang panjang gelombang sentimeter), daya keluaran maksimum dioda Gunn ditentukan oleh efek termal. Dalam kisaran milimeter, ketebalan daerah aktif dioda yang beroperasi dalam mode domain menjadi kecil dan batasan listrik berlaku. Dalam mode kontinu dalam kisaran tiga sentimeter, daya 1–2 W dapat diperoleh dari satu dioda dengan efisiensi hingga 14%; pada frekuensi 60–100 GHz – hingga 100 WW dengan efisiensi beberapa persen. Generator dioda Gunn mempunyai karakteristik noise frekuensi yang jauh lebih rendah dibandingkan generator LPD.

Mode ONOZ dicirikan oleh distribusi medan listrik yang jauh lebih seragam. Selain itu, panjang dioda yang beroperasi dalam mode ini bisa sangat signifikan. Oleh karena itu, amplitudo tegangan gelombang mikro pada dioda dalam mode ONOS bisa 1-2 kali lipat lebih tinggi daripada tegangan dalam mode domain. Dengan demikian, daya keluaran dioda Gunn dalam mode ONOS dapat ditingkatkan beberapa kali lipat dibandingkan dengan mode domain. Untuk mode ONOZ, batasan termal lebih diutamakan. Dioda Gunn dalam mode ONOS paling sering beroperasi dalam mode berdenyut dengan siklus kerja tinggi dan menghasilkan daya hingga beberapa kilowatt dalam rentang panjang gelombang sentimeter.

Frekuensi generator berdasarkan dioda Gunn ditentukan terutama oleh frekuensi resonansi sistem osilasi, dengan mempertimbangkan konduktivitas kapasitif dioda dan dapat disetel dalam rentang yang luas dengan metode mekanik dan listrik.

Dalam generator pandu gelombang(Gbr. 10, a) Dioda Gunn 1 dipasang di antara dinding lebar pandu gelombang persegi panjang di ujung batang logam. Tegangan bias disuplai melalui input induktor 2 , yang dibuat dalam bentuk bagian-bagian saluran koaksial seperempat gelombang dan berfungsi untuk mencegah penetrasi osilasi gelombang mikro ke dalam rangkaian sumber listrik. Resonator Q rendah dibentuk oleh elemen pemasangan dioda di pandu gelombang. Frekuensi generator disetel menggunakan dioda varactor 3 , terletak pada jarak setengah panjang gelombang dan dipasang di pandu gelombang mirip dengan dioda Gunn. Seringkali dioda disertakan dalam pandu gelombang dengan ketinggian rendah, yang dihubungkan ke pandu gelombang keluaran bagian standar melalui transformator seperempat gelombang.

Gambar 10. Desain generator berdasarkan dioda Gunn:

sebuah pandu gelombang; b – mikrostrip; c – dengan penyetelan frekuensi oleh bola YIG

Dalam desain mikrostrip(Gbr. 10, b) dioda 1 terhubung antara alas dan konduktor strip. Resonator dielektrik berkualitas tinggi digunakan untuk menstabilkan frekuensi 4 berupa piringan yang terbuat dari dielektrik dengan rugi-rugi rendah dan bernilai tinggi (misalnya barium titanat), terletak di dekat konduktor strip MPL lebarnya. Kapasitor 5 berfungsi untuk memisahkan rangkaian daya dan jalur gelombang mikro. Tegangan suplai disuplai melalui rangkaian induktor 2 , terdiri dari dua segmen MPL seperempat gelombang dengan impedansi gelombang berbeda, dan garis dengan resistansi rendah terbuka. Penggunaan resonator dielektrik dengan koefisien frekuensi suhu positif memungkinkan pembuatan osilator dengan pergeseran frekuensi kecil ketika suhu berubah (~40 kHz/°C).

Generator yang dapat disetel frekuensi pada dioda Gunn dapat dibuat menggunakan kristal tunggal garnet besi yttrium (Gbr. 10, c). Frekuensi generator dalam hal ini berubah karena penyetelan frekuensi resonansi resonator berkualitas tinggi, yang berbentuk bola YIG berdiameter kecil, ketika medan magnet berubah. Penyetelan maksimum dicapai pada dioda tanpa paket yang memiliki parameter reaktif minimal. Rangkaian dioda frekuensi tinggi terdiri dari belitan pendek yang melingkupi bola YIG 6 . Sambungan rangkaian dioda dengan rangkaian beban dilakukan karena induktansi timbal balik yang disediakan oleh bola YIG dan belitan kopling yang terletak secara ortogonal. Kisaran penyetelan listrik generator tersebut, yang banyak digunakan dalam alat pengukur otomatis, mencapai satu oktaf dengan daya keluaran 10–20 mW.

Gambar 11. Rangkaian ekivalen umum dioda Gunn.

Amplifier berdasarkan dioda Gunn.

Perkembangan penguat berdasarkan dioda Gunn sangat menarik, terutama untuk rentang panjang gelombang milimeter, dimana penggunaan transistor gelombang mikro terbatas. Tugas penting saat membuat amplifier berdasarkan dioda Gunn adalah memastikan stabilitas operasinya (stabilisasi dioda) dan, yang terpenting, menekan osilasi tipe domain sinyal kecil. Hal ini dapat dicapai dengan membatasi parameter dioda, memuat dioda dengan rangkaian eksternal, memilih profil doping dioda, mengurangi penampang, atau menerapkan film dielektrik ke sampel. Sebagai penguat, digunakan dioda planar dan mesastruktur, yang memiliki konduktivitas negatif pada tegangan di atas ambang batas dalam rentang frekuensi lebar di dekat frekuensi penerbangan dan digunakan sebagai penguat reflektif regeneratif dengan sirkulator pada input, serta struktur film yang lebih kompleks. yang memanfaatkan fenomena pertumbuhan gelombang muatan ruang pada suatu material dengan NDP, sering disebut penguat gelombang perjalanan film tipis(UBV).

Dalam dioda yang didoping secara subkritis di pembentukan domain berjalan tidak mungkin dilakukan bahkan pada tegangan melebihi ambang batas. Seperti yang ditunjukkan oleh perhitungan, dioda subkritis dicirikan oleh resistansi setara negatif pada frekuensi yang mendekati frekuensi penerbangan, pada tegangan melebihi ambang batas. Mereka dapat digunakan dalam amplifier reflektif. Namun, karena rentang dinamis dan penguatannya yang rendah, penggunaannya terbatas.

Konduktivitas negatif yang stabil pada rentang frekuensi yang luas, mencapai 40%, diwujudkan dalam dioda dengan pada panjang dioda pendek (~8–15 µm) dan tegangan . Pada tegangan yang lebih rendah, pembangkitan diamati, kerusakannya dengan meningkatnya tegangan dapat dijelaskan oleh penurunan NDC material dengan meningkatnya suhu perangkat.

Distribusi medan listrik yang seragam sepanjang dioda dan penguatan stabil pada pita frekuensi lebar dapat diperoleh karena doping sampel yang tidak seragam (Gbr. 12, a). Jika ada lapisan sempit yang didoping ringan dengan panjang sekitar 1 m di dekat katoda, maka hal itu membatasi injeksi elektron dari katoda dan menyebabkan peningkatan tajam medan listrik. Meningkatkan konsentrasi pengotor sepanjang sampel menuju anoda dalam kisaran dari hingga memungkinkan tercapainya keseragaman medan listrik. Proses pada dioda dengan profil ini biasanya dihitung di komputer.

Gambar 12. Profil doping (a) dan distribusi medan (b) pada dioda Gunn dengan wilayah katoda resistansi tinggi.

Jenis amplifier yang dipertimbangkan dicirikan oleh rentang dinamis yang lebar, efisiensi 2–3%, dan angka kebisingan ~10 dB dalam rentang panjang gelombang sentimeter.

Pengembangan penguat gelombang perjalanan film tipis (Gbr. 13) sedang berlangsung, yang memberikan amplifikasi searah pada pita frekuensi lebar dan tidak memerlukan penggunaan sirkulator decoupling. Penguatnya adalah lapisan GaAs epitaksi 2 tebal (2–15 µm), tumbuh pada substrat dengan resistivitas tinggi 1 . Kontak katoda dan anoda ohmik terletak pada jarak satu sama lain dan memastikan aliran elektron di sepanjang film ketika tegangan konstan diterapkan padanya. Dua kontak 3 dalam bentuk penghalang Schottky dengan lebar 1–5 μm, digunakan untuk memasukkan dan mengeluarkan sinyal gelombang mikro dari perangkat. Sinyal masukan yang disuplai antara katoda dan kontak Schottky pertama membangkitkan gelombang muatan ruang dalam aliran elektron, yang amplitudonya berubah saat bergerak menuju anoda dengan kecepatan fasa.

Gambar 13. Diagram penguat gelombang perjalanan film tipis GaAs dengan penyimpangan memanjang

Agar amplifier dapat beroperasi, perlu untuk memastikan keseragaman film dan keseragaman medan listrik di sepanjang perangkat. Tegangan bias BW terletak pada wilayah GaAs NDC, yaitu pada . Dalam hal ini, gelombang muatan ruang tumbuh seiring pergerakannya di sepanjang film. Distribusi medan listrik yang stabil dan seragam dicapai dalam UWV dengan menggunakan film dengan ketebalan kecil dan melapisi film GaAs dengan dielektrik bernilai besar.

Penerapan persamaan dasar gerak elektron untuk kasus satu dimensi (1), (3), (4) dan mode sinyal kecil, ketika komponen konstan arus konveksi, kuat medan listrik, dan rapat muatan jauh lebih besar daripada amplitudo komponen variabel (), mengarah ke persamaan dispersi untuk propagasi konstan, yang memiliki solusi dalam bentuk dua gelombang.

Salah satunya adalah gelombang langsung yang merambat sepanjang film dari katoda ke anoda dengan kecepatan fasa , dan mempunyai amplitudo yang bervariasi menurut hukum:

dimana adalah waktu pergerakan elektron dari input perangkat. Saat bekerja di wilayah ODP, gelombang langsungnya juga meningkat. Gelombang kedua terbalik, merambat dari anoda ke katoda dan melemah dalam amplitudo sebesar . Koefisien difusi untuk GaAs adalah , oleh karena itu gelombang balik dengan cepat meluruh. Dari (9) penguatan perangkat adalah (dB)

(10)

Perkirakan pada (10) pukul Dan memberikan keuntungan sekitar 0,3–3 dB/µm. Perlu diingat bahwa ekspresi (10) pada dasarnya bersifat kualitatif. Penggunaan langsungnya untuk menghitung pertumbuhan gelombang muatan ruang dapat menyebabkan kesalahan karena pengaruh kuat kondisi batas untuk ketebalan film yang kecil, karena masalahnya harus dianggap sebagai masalah dua dimensi. Difusi elektron juga harus diperhitungkan, sehingga membatasi rentang frekuensi yang memungkinkan amplifikasi. Perhitungan mengkonfirmasi kemungkinan memperoleh penguatan ~0,5–1 dB/μm pada UWV pada frekuensi 10 GHz atau lebih. Perangkat tersebut juga dapat digunakan sebagai pemindah fasa terkontrol dan jalur penundaan gelombang mikro.

[L]. Berezin et al. – M.Sekolah Tinggi 1985.

Kementerian Pendidikan Federasi Rusia

Universitas Teknik Negeri Oryol

ABSTRAK Jurusan Fisika

pada topik: “Efek Gunn dan penggunaannya pada dioda yang beroperasi dalam mode generator.”

Disiplin: “Dasar fisik mikroelektronika”

Diselesaikan oleh siswa kelompok 3–4
Senatorov D.G.

Pengawas:

Burung rajawali. 2000

Efek Gunn dan penggunaannya pada dioda yang beroperasi dalam mode generator.

Untuk memperkuat dan menghasilkan osilasi gelombang mikro, ketergantungan anomali kecepatan elektron pada kuat medan listrik pada beberapa senyawa semikonduktor, terutama pada galium arsenida, dapat digunakan. Dalam hal ini, peran utama dimainkan oleh proses yang terjadi di sebagian besar semikonduktor, dan bukan di sambungan p-n. Pembangkitan osilasi gelombang mikro dalam sampel GaAs tipe-n homogen pada kuat medan listrik konstan di atas nilai ambang batas pertama kali diamati oleh J. Gunn pada tahun 1963 (oleh karena itu, perangkat tersebut disebut dioda Gunn). Dalam literatur domestik, mereka juga disebut perangkat dengan ketidakstabilan volumetrik atau dengan transfer elektron intervalley, karena sifat aktif dioda ditentukan oleh transisi elektron dari lembah energi "pusat" ke "samping", di mana mereka dicirikan oleh massa efektif yang besar dan mobilitas rendah. Dalam literatur asing, nama terakhir sesuai dengan istilah TED (Transferred Electron Device).

dimana konstanta relaksasi dielektrik; –konsentrasi elektron dalam n-GaAs asli. Dalam sampel homogen yang diberi tegangan konstan , peningkatan lokal dalam konsentrasi elektron menyebabkan munculnya lapisan bermuatan negatif (Gbr. 2), bergerak sepanjang sampel dari katoda ke anoda.

Gambar.1. Perkiraan ketergantungan kecepatan penyimpangan elektron pada kekuatan medan listrik untuk GaAs.

Gambar.2. Untuk menjelaskan proses pembentukan lapisan akumulasi pada GaAs yang didoping secara seragam.

Namun, distribusi medan listrik seperti itu tidak stabil dan, jika terdapat ketidakhomogenan dalam sampel dalam bentuk lonjakan konsentrasi, mobilitas, atau suhu, hal tersebut dapat berubah menjadi domain medan kuat. Kuat medan listrik berhubungan dengan konsentrasi elektron melalui persamaan Poisson, yang untuk kasus satu dimensi berbentuk

(1)

Gambar.3. Untuk menjelaskan proses pembentukan domain dipol.

Setelah domain menghilang di anoda, kekuatan medan sampel meningkat, dan ketika mencapai nilai , pembentukan domain baru dimulai. Dalam hal ini, arus mencapai nilai maksimum sama dengan (Gbr. 4, c)

(2)

Mode pengoperasian dioda Gunn disebut mode transit. Dalam mode transit, arus yang melalui dioda terdiri dari pulsa-pulsa yang mengikuti suatu periode . Dioda menghasilkan osilasi gelombang mikro dengan frekuensi terbang , ditentukan terutama oleh panjang sampel dan sedikit bergantung pada beban (fluktuasi inilah yang diamati Gunn saat mempelajari sampel dari GaAs dan InP).

Proses elektronik dalam dioda Gunn harus dipertimbangkan dengan mempertimbangkan persamaan Poisson, kontinuitas dan rapat arus total, yang untuk kasus satu dimensi berbentuk sebagai berikut:

; (3)

. (4)

Tegangan sesaat melintasi dioda. Arus total tidak bergantung pada koordinat dan merupakan fungsi waktu. Koefisien difusi sering dianggap tidak bergantung pada medan listrik.

Mode operasi domain.

. (5)

Gambar.5. Untuk menentukan parameter domain dipol.

Gambar 5, b menunjukkan ketergantungan tegangan domain pada kuat medan listrik di luarnya, dimana adalah panjang domain (Gbr. 3, c). Di sana, sebuah “jalur instrumen” dari sebuah dioda dengan panjang pada tegangan tertentu dibangun, dengan mempertimbangkan fakta bahwa tegangan total yang melintasi dioda adalah . Titik potong A menentukan tegangan domain dan kuat medan di luarnya. Harus diingat bahwa domain terjadi pada tegangan konstan , namun, ia juga bisa ada ketika, ketika domain bergerak menuju anoda, tegangan melintasi dioda turun ke nilai tertentu (garis putus-putus pada Gambar 5, b). Jika tegangan pada dioda diturunkan lebih lanjut sehingga menjadi lebih kecil dari tegangan pemadaman domain, maka domain yang dihasilkan akan teratasi. Tegangan redaman berhubungan dengan momen “garis lurus instrumen” menyentuh garis pada Gambar 5, b.

(6)

Gambar6. Dioda Gunn.

Diperkirakan bahwa Domain akan memiliki waktu untuk terbentuk sepenuhnya pada waktu berikut:

Nilai produk konsentrasi elektron dan panjang sampel disebut kritis dan dilambangkan . Nilai ini adalah batas antara mode domain dioda Gunn dan mode dengan distribusi medan listrik yang stabil dalam sampel yang didoping secara seragam. Jika domain medan kuat tidak terbentuk maka sampel disebut stabil. Berbagai mode domain dimungkinkan. Kriteria tipe berlaku, sebenarnya, hanya untuk struktur yang panjang lapisan aktif antara katoda dan anoda jauh lebih kecil daripada dimensi transversal: (Gbr. 6, a), yang sesuai dengan masalah satu dimensi dan khas untuk planar dan mesastruktur. Untuk struktur film tipis (Gbr. 6, b), lapisan GaAs aktif epitaksi sepanjang 1 dapat ditempatkan di antara substrat resistivitas tinggi 3 dan film dielektrik isolasi 2, yang dibuat, misalnya, dari SiO 2. Kontak anoda dan katoda ohmik dibuat menggunakan metode fotolitografi. Ukuran melintang suatu dioda dapat dibandingkan dengan panjangnya. Dalam hal ini, muatan ruang yang terbentuk selama pembentukan domain menciptakan medan listrik internal yang tidak hanya memiliki komponen memanjang, tetapi juga komponen melintang (Gbr. 6, c). Hal ini menyebabkan penurunan bidang dibandingkan dengan masalah satu dimensi. Ketika ketebalan film aktif kecil, ketika , kriteria tidak adanya ketidakstabilan domain digantikan oleh kondisi . Untuk struktur seperti itu, dengan distribusi medan listrik yang stabil, bisa lebih besar.

Ketika dioda beroperasi pada rangkaian dengan resistansi tinggi, ketika , amplitudo tegangan bolak-balik bisa sangat besar, sehingga selama beberapa bagian periode tegangan sesaat pada dioda menjadi lebih kecil dari ambang batas (sesuai dengan kurva 2 pada Gambar .4b). Dalam hal ini, kita berbicara tentang mode dengan penundaan dalam pembentukan domain. Domain terbentuk ketika tegangan pada dioda melebihi ambang batas, yaitu pada suatu saat (lihat Gambar 4, d). Setelah pembentukan domain, arus dioda berkurang dan tetap demikian selama waktu penerbangan domain. Ketika domain menghilang pada anoda pada suatu waktu, tegangan pada dioda kurang dari ambang batas dan dioda mewakili resistansi aktif. Perubahan arus sebanding dengan tegangan pada dioda sampai arus mencapai nilai maksimumnya dan tegangan pada dioda sama dengan ambang batas. Pembentukan domain baru dimulai, dan seluruh proses berulang. Durasi pulsa saat ini sama dengan waktu tunda pembentukan domain baru. Waktu pembentukan domain dianggap singkat dibandingkan dengan dan . Jelas, mode seperti itu dimungkinkan jika waktu penerbangan berada dalam batas dan frekuensi osilasi yang dihasilkan berada dalam batas yang ditentukan .

Dengan amplitudo tegangan frekuensi tinggi yang lebih besar, sesuai dengan kurva 3 pada Gambar 4b, tegangan minimum pada dioda mungkin lebih kecil dari tegangan redaman dioda. 4e). Sebuah domain terbentuk pada suatu titik waktu dan larut pada suatu titik waktu ketika domain baru mulai terbentuk setelah tegangan melebihi nilai ambang batas. Karena hilangnya domain tidak terkait dengan pencapaiannya di anoda, waktu penerbangan elektron antara katoda dan anoda dalam mode pendinginan domain dapat melebihi periode osilasi: . Jadi, dalam mode redaman. Batas atas frekuensi yang dihasilkan dibatasi oleh kondisi dan dapat .

Modus ONOZ.

Agak lebih lambat dari mode domain, mode pembatasan akumulasi muatan ruang diusulkan dan diterapkan untuk dioda Gunn. Itu ada pada tegangan konstan pada dioda, beberapa kali lebih tinggi dari nilai ambang batas, dan amplitudo tegangan besar pada frekuensi beberapa kali lebih tinggi dari frekuensi penerbangan. Untuk mengimplementasikan mode ONOS, diperlukan dioda dengan profil doping yang sangat seragam. Distribusi medan listrik dan konsentrasi elektron yang seragam di sepanjang sampel dipastikan karena tingginya laju perubahan tegangan melintasi dioda. Jika periode waktu di mana intensitas medan listrik melewati wilayah karakteristik NDC jauh lebih kecil daripada waktu pembentukan domain, maka tidak ada redistribusi muatan medan dan ruang yang nyata sepanjang dioda. Kecepatan elektron di seluruh sampel “mengikuti” perubahan medan listrik, dan arus yang melalui dioda ditentukan oleh ketergantungan kecepatan pada medan (Gbr. 7).

Perhitungan , , kita punya . Ketimpangan ini menentukan kisaran nilai di mana mode ONZ diterapkan.

Efisiensi elektronik generator dioda Gunn dalam mode ONOS dapat dihitung dari bentuk arus (Gbr. 7). Pada Efisiensi maksimum adalah 17%.

Gambar.7. Ketergantungan waktu arus pada dioda Gunn dalam mode ONOS.

Proses yang dipertimbangkan dalam dioda Gunn dalam mode domain pada dasarnya diidealkan, karena proses tersebut diwujudkan pada frekuensi yang relatif rendah (1-3 GHz), di mana periode osilasi jauh lebih kecil daripada waktu pembentukan domain, dan panjang dioda jauh lebih besar daripada panjang domain pada tingkat doping konvensional . Paling sering, dioda Gunn gelombang kontinu digunakan pada frekuensi yang lebih tinggi dalam apa yang disebut mode hybrid. Mode operasi hibrid dioda Gunn adalah perantara antara mode ONOS dan domain. Biasanya untuk mode hibrid, pembentukan domain menghabiskan sebagian besar periode osilasi. Domain yang tidak terbentuk sempurna teratasi ketika tegangan sesaat pada dioda turun ke nilai di bawah ambang batas. Kuat medan listrik di luar wilayah peningkatan muatan ruang secara umum tetap lebih besar dari ambang batas. Proses yang terjadi pada dioda dalam mode hybrid dianalisis menggunakan komputer menggunakan persamaan (1), (3) dan (4). Mode hybrid menempati rentang nilai yang luas dan tidak sensitif terhadap parameter rangkaian seperti mode ONOZ.

Gambar.8. Efisiensi elektronik generator dioda GaAs Gunn untuk berbagai mode operasi:

1–dengan penundaan pembentukan domain

2–dengan penindasan domain

Gambar.9. Ketergantungan waktu pada tegangan (a) dan arus (b) dioda Gunn dalam mode efisiensi tinggi.

3-hibrida

Desain dan parameter generator berdasarkan dioda Gunn.

Dalam mode domain oleh karena itu sesuai dengan kita punya:

di mana adalah resistansi beban ekivalen, dihitung ulang ke terminal dioda dan sama dengan modul resistansi negatif aktif LPD.

Dalam generator pandu gelombang (Gbr. 10, a), dioda Gunn 1 dipasang di antara dinding lebar pandu gelombang persegi panjang di ujung batang logam. Tegangan bias disuplai melalui choke input 2 yang dibuat dalam bentuk bagian-bagian saluran koaksial seperempat gelombang dan berfungsi untuk mencegah penetrasi osilasi gelombang mikro ke dalam rangkaian sumber listrik. Resonator Q rendah dibentuk oleh elemen pemasangan dioda di pandu gelombang. Frekuensi generator disetel menggunakan dioda varactor 3 yang terletak pada jarak setengah gelombang dan dipasang pada pandu gelombang mirip dengan dioda Gunn. Seringkali dioda disertakan dalam pandu gelombang dengan ketinggian rendah, yang dihubungkan ke pandu gelombang keluaran bagian standar melalui transformator seperempat gelombang.

Gambar 10. Desain generator berdasarkan dioda Gunn:

sebuah pandu gelombang; b – mikrostrip; c – dengan penyetelan frekuensi oleh bola YIG

Dalam desain mikrostrip (Gbr. 10, b), dioda 1 dihubungkan antara basis dan konduktor strip. Untuk menstabilkan frekuensi, digunakan resonator dielektrik berkualitas tinggi 4 dalam bentuk piringan yang terbuat dari dielektrik dengan rugi-rugi rendah dan nilai tinggi (misalnya barium titanat), terletak di dekat konduktor strip MPL dengan lebar . Kapasitor 5 berfungsi untuk memisahkan rangkaian daya dan jalur gelombang mikro. Tegangan suplai disuplai melalui rangkaian induktor 2, terdiri dari dua bagian MPL seperempat gelombang dengan impedansi gelombang berbeda, dan saluran dengan resistansi rendah terbuka. Penggunaan resonator dielektrik dengan koefisien frekuensi suhu positif memungkinkan pembuatan osilator dengan pergeseran frekuensi kecil ketika suhu berubah (~40 kHz/°C).

Generator yang dapat disetel frekuensi berdasarkan dioda Gunn dapat dibuat menggunakan kristal tunggal besi yttrium garnet (Gbr. 10, c). Frekuensi generator dalam hal ini berubah karena penyetelan frekuensi resonansi resonator berkualitas tinggi, yang berbentuk bola YIG berdiameter kecil, ketika medan magnet berubah. Penyetelan maksimum dicapai pada dioda tanpa paket yang memiliki parameter reaktif minimal. Rangkaian dioda frekuensi tinggi terdiri dari belitan pendek yang melingkupi bola YIG 6. Sambungan rangkaian dioda dengan rangkaian beban dilakukan karena induktansi timbal balik yang disediakan oleh bola YIG dan belitan kopling yang terletak secara ortogonal. Kisaran penyetelan listrik generator tersebut, yang banyak digunakan dalam alat pengukur otomatis, mencapai satu oktaf dengan daya keluaran 10–20 mW.

Gambar 11. Rangkaian ekivalen umum dioda Gunn.

Amplifier berdasarkan dioda Gunn.

Perkembangan penguat berdasarkan dioda Gunn sangat menarik, terutama untuk rentang panjang gelombang milimeter, dimana penggunaan transistor gelombang mikro terbatas. Tugas penting saat membuat amplifier berdasarkan dioda Gunn adalah memastikan stabilitas operasinya (stabilisasi dioda) dan, yang terpenting, menekan osilasi tipe domain sinyal kecil. Hal ini dapat dicapai dengan membatasi parameter dioda, memuat dioda dengan rangkaian eksternal, memilih profil doping dioda, mengurangi penampang, atau menerapkan film dielektrik ke sampel. Sebagai penguat, digunakan dioda planar dan mesastruktur, yang memiliki konduktivitas negatif pada tegangan di atas ambang batas dalam rentang frekuensi lebar di dekat frekuensi penerbangan dan digunakan sebagai penguat reflektif regeneratif dengan sirkulator pada input, serta struktur film yang lebih kompleks. yang menggunakan fenomena pertumbuhan gelombang muatan ruang pada material dengan NDC, sering disebut penguat gelombang perjalanan film tipis (TWA).

Gambar 12. Profil doping (a) dan distribusi medan (b) pada dioda Gunn dengan wilayah katoda resistansi tinggi.

Jenis amplifier yang dipertimbangkan dicirikan oleh rentang dinamis yang lebar, efisiensi 2–3%, dan angka kebisingan ~10 dB dalam rentang panjang gelombang sentimeter.

Pengembangan penguat gelombang perjalanan film tipis (Gbr. 13) sedang berlangsung, yang memberikan amplifikasi searah pada pita frekuensi lebar dan tidak memerlukan penggunaan sirkulator decoupling. Penguat adalah lapisan epitaksi GaAs 2 tebal (2–15 μm), ditanam pada substrat resistivitas tinggi 1. Kontak katoda dan anoda ohmik terletak pada jarak satu sama lain dan memastikan aliran elektron di sepanjang film ketika tegangan konstan diterapkan pada mereka. Dua kontak 3 dalam bentuk penghalang Schottky dengan lebar 1–5 μm digunakan untuk memasukkan dan mengeluarkan sinyal gelombang mikro dari perangkat. Sinyal masukan yang disuplai antara katoda dan kontak Schottky pertama membangkitkan gelombang muatan ruang dalam aliran elektron, yang amplitudonya berubah saat bergerak menuju anoda dengan kecepatan fasa.

Gambar 13. Diagram penguat gelombang perjalanan film tipis GaAs dengan penyimpangan memanjang

Salah satunya adalah gelombang langsung yang merambat sepanjang film dari katoda ke anoda dengan kecepatan fasa , dan mempunyai amplitudo yang bervariasi menurut hukum:

(10)

[L]. Berezin et al. – M.Sekolah Tinggi 1985.

Pembahasan persamaan (1) dengan tujuan memodifikasinya untuk bidang potensial vektor EM, karena persamaan baru akan memungkinkan untuk secara konsisten menggambarkan proses aksi non-termal medan elektrodinamik dalam media material: listrik dan magnet. polarisasi medium, transfer momentum sudut impuls EM ke dalamnya. Hubungan awal hubungan primer antara komponen medan EM dan medan potensial vektor EM dengan...

Polaritas catu daya pada Gambar 3.4 dan arah arus untuk transistor pnp. Dalam kasus transistor n-p-n, polaritas tegangan dan arah arus dibalik. Gambar 3.4 Proses fisik di BT. Mode operasi (NAR) ini adalah yang utama dan menentukan tujuan dan nama elemen transistor. Persimpangan emitor menyuntikkan pembawa ke dalam...

Mereka terhubung ke perangkat sekunder menggunakan kabel termoelektrik, yang seolah-olah memperpanjang termoelektroda. Perangkat sekunder yang bekerja bersama dengan konverter termoelektrik adalah milivoltmeter magnetoelektrik dan potensiometer. Pengoperasian milivoltmeter magnetoelektrik didasarkan pada interaksi kerangka yang dibentuk oleh konduktor yang melaluinya arus mengalir dengan...

Pengatur suhu; Dioda datar Germanium dan silikon. Pengetahuan gizi teoritis yang diperlukan untuk pekerjaan laboratorium: 1. Proses fisika yang terjadi akibat kontak konduktor dengan berbagai jenis konduktivitas. 2. Peralihan direktori elektronik pada stasiun yang setara. Diagram energi. 3. Injeksi dan ekstraksi muatan. 4. Karakteristik volt ampere (...

Mengirimkan karya bagus Anda ke basis pengetahuan itu sederhana. Gunakan formulir di bawah ini

Pelajar, mahasiswa pascasarjana, ilmuwan muda yang menggunakan basis pengetahuan dalam studi dan pekerjaan mereka akan sangat berterima kasih kepada Anda.

Diposting pada http://www.allbest.ru//

Perkenalan

Asal usul dan perkembangan mikroelektronika sebagai arah ilmiah dan teknis baru yang menjamin terciptanya peralatan radio-elektronik yang kompleks (REA) berhubungan langsung dengan situasi krisis yang muncul di awal tahun 60an, ketika metode tradisional pembuatan REA dari elemen diskrit oleh perakitan berurutannya tidak dapat memberikan keandalan, efisiensi, konsumsi energi, waktu produksi, dan dimensi REA yang dapat diterima.

Meskipun keberadaannya singkat, interkoneksi mikroelektronika dengan bidang ilmu pengetahuan dan teknologi lainnya telah memastikan tingkat perkembangan industri ini yang luar biasa tinggi dan secara signifikan mengurangi waktu implementasi ide-ide baru dalam industri. Hal ini juga difasilitasi oleh munculnya semacam hubungan umpan balik antara pengembangan sirkuit terpadu, yang merupakan dasar otomatisasi produksi dan manajemen, dan penggunaan pengembangan ini untuk mengotomatisasi proses desain, produksi, dan pengujian sirkuit terpadu.

Perkembangan mikroelektronika telah membawa perubahan mendasar pada prinsip perancangan perangkat elektronik dan mengarah pada penggunaan integrasi kompleks, yang terdiri dari:

integrasi struktural atau sirkuit (yaitu, integrasi fungsi sirkuit dalam satu unit struktural); dengan derajat integrasi pada urutan ratusan dan ribuan komponen, metode pembagian sistem menjadi komponen, perangkat, subsistem dan blok yang ada, serta bentuk koordinasi pengembangan komponen, perangkat dan subsistem yang ada menjadi tidak efektif; pada saat yang sama, pusat gravitasi berpindah ke area sirkuit, yang memerlukan restrukturisasi radikal metode penerapan sistem elektronik dengan konstruksi peralatan pada tingkat supermodular;

1.Peran teknologi film tipis dalam produksi sirkuit terpadu

Elektronik terintegrasi berkembang bukan sebagai bidang teknologi baru atau terpisah, namun dengan menggeneralisasi banyak teknik teknologi yang sebelumnya digunakan dalam produksi perangkat semikonduktor diskrit dan dalam pembuatan lapisan film berlapis atas. Sehubungan dengan ini, dua bidang utama telah diidentifikasi dalam elektronika terintegrasi: semikonduktor dan film tipis.

Penciptaan sirkuit terpadu pada wafer semikonduktor monokristalin tunggal (sejauh ini hanya silikon) merupakan pengembangan alami dari prinsip-prinsip teknologi pembuatan perangkat semikonduktor yang dikembangkan selama beberapa dekade terakhir, yang, seperti diketahui, telah membuktikan dirinya dalam pengoperasiannya.

Arah film tipis dari elektronik terintegrasi didasarkan pada pertumbuhan berurutan film dari berbagai bahan pada dasar yang sama (substrat) dengan pembentukan bagian mikro secara simultan (resistor, kapasitor, bantalan kontak, dll.) dan koneksi dalam sirkuit dari film-film ini.

Baru-baru ini, IC hybrid semikonduktor (padat) dan film tipis dianggap sebagai arah persaingan dalam pengembangan elektronik terintegrasi. Dalam beberapa tahun terakhir, terlihat jelas bahwa kedua arah ini sama sekali tidak eksklusif, melainkan saling melengkapi dan memperkaya. Terlebih lagi, hingga saat ini, sirkuit terpadu yang menggunakan satu jenis teknologi apa pun belum dibuat (dan, tampaknya, hal ini tidak diperlukan). Bahkan sirkuit silikon monolitik, yang diproduksi terutama menggunakan teknologi semikonduktor, secara bersamaan menggunakan metode seperti pengendapan vakum film aluminium dan logam lainnya untuk menghasilkan sambungan dalam sirkuit, yaitu metode yang menjadi dasar teknologi film tipis.

Keuntungan besar dari teknologi film tipis adalah fleksibilitasnya, yang dinyatakan dalam kemampuan untuk memilih bahan dengan parameter dan karakteristik optimal dan untuk mendapatkan, pada kenyataannya, konfigurasi dan parameter elemen pasif yang diperlukan. Dalam hal ini, toleransi pemeliharaan parameter individual elemen dapat ditingkatkan menjadi 1-2%. Keuntungan ini sangat efektif dalam kasus di mana nilai pasti dari peringkat dan stabilitas parameter komponen pasif sangat penting (misalnya, dalam pembuatan rangkaian linier, rangkaian resistif dan RC, beberapa jenis filter, peka fasa dan sirkuit selektif, generator, dll.).

Karena perkembangan dan peningkatan berkelanjutan dari teknologi semikonduktor dan film tipis, serta meningkatnya kompleksitas IC, yang tercermin dalam peningkatan jumlah komponen dan kompleksitas fungsinya, diharapkan dalam waktu dekat di masa depan akan ada proses integrasi metode dan teknik teknologi dan IC yang paling kompleks akan diproduksi menggunakan teknologi konvergensi. Dalam hal ini, dimungkinkan untuk mendapatkan parameter dan keandalan IC yang tidak dapat dicapai dengan menggunakan setiap jenis teknologi secara terpisah. Misalnya dalam pembuatan IC semikonduktor, semua elemen (pasif dan aktif) dilakukan dalam satu proses teknologi, sehingga parameter elemen tersebut saling terkait. Elemen aktif sangat menentukan, karena biasanya sambungan basis-kolektor transistor digunakan sebagai kapasitor, dan daerah difusi yang dihasilkan dari pembuatan basis transistor digunakan sebagai resistor. Tidak mungkin mengoptimalkan parameter satu elemen tanpa secara bersamaan mengubah karakteristik elemen lainnya. Mengingat karakteristik elemen aktif, peringkat elemen pasif hanya dapat diubah dengan mengubah ukurannya.

Saat menggunakan teknologi gabungan, elemen aktif paling sering diproduksi menggunakan teknologi planar dalam wafer silikon, dan elemen pasif diproduksi menggunakan teknologi film tipis pada elemen demi elemen teroksidasi (resistor dan terkadang kapasitor) - permukaan wafer silikon yang sama . Namun, proses pembuatan bagian aktif dan pasif IC dipisahkan dalam waktu. Oleh karena itu, karakteristik elemen pasif sebagian besar tidak bergantung pada dan ditentukan oleh pilihan material, ketebalan film, dan geometri. Karena transistor IC hibrid terletak di dalam substrat, ukuran rangkaian tersebut dapat dikurangi secara signifikan dibandingkan dengan IC hibrid, yang menggunakan elemen aktif diskrit yang menempati ruang yang relatif besar pada substrat.

Sirkuit yang dibuat menggunakan teknologi gabungan memiliki sejumlah keunggulan yang tidak diragukan lagi. Misalnya, dalam hal ini dimungkinkan untuk memperoleh resistor dengan nilai besar dan koefisien resistansi suhu kecil, memiliki lebar yang sangat sempit dan resistansi permukaan yang tinggi, dalam luas yang kecil. Mengontrol laju deposisi selama produksi resistor memungkinkannya diproduksi dengan presisi yang sangat tinggi. Resistor yang diperoleh dengan deposisi film tidak dicirikan oleh arus bocor melalui substrat bahkan pada suhu tinggi, dan konduktivitas termal substrat yang relatif tinggi mencegah kemungkinan munculnya area dengan suhu tinggi di sirkuit.

Film tipis, selain produksi IC menggunakan teknologi epitaxial-planar, banyak digunakan dalam produksi IC hybrid, serta dalam pembuatan perangkat mikroelektronik jenis baru (perangkat berpasangan muatan, pengisi daya cryotron berdasarkan Josephson efek, pengisi daya pada domain magnetik silinder, dll.).

2. Metalisasi film tipis pada perangkat semikonduktor dan sirkuit terpadu

Dalam pembuatan perangkat semikonduktor dan IC untuk menghasilkan kontak ohmik ke silikon, interkoneksi dan bantalan kontak, serta elektroda gerbang struktur MOS, film aluminium telah tersebar luas, karena keunggulan logam ini sebagai berikut:

biaya Al yang rendah dan kemungkinan menggunakan satu logam untuk semua proses metalisasi, yang secara signifikan menyederhanakan dan mengurangi biaya teknologi dan mencegah terjadinya efek galvanik;

konduktivitas listrik yang tinggi dari film Al, mendekati konduktivitas listrik material curah; kemudahan penguapan Al dalam ruang hampa dari cawan lebur tungsten dan evaporator berkas elektron;

daya rekat tinggi A1 pada silikon dan oksidanya; kontak resistansi rendah Al dengan silikon dan konduktivitas tipe-n;

kelarutan silikon yang nyata dalam Al dengan pembentukan larutan padat yang hampir tidak mengurangi konduktivitas listrik;

tidak adanya senyawa kimia dalam sistem Al--Si;

interaksi kimia A1 dengan Si02, sebagian tersisa pada bantalan kontak; ketahanan kimia A1 dalam lingkungan pengoksidasi dan ketahanan radiasi;

kemudahan operasi fotolitografi untuk mendapatkan konfigurasi jalur konduktif menggunakan etsa yang tidak bereaksi dengan silikon dan silikon dioksida; keuletan Al yang baik dan ketahanan terhadap perubahan suhu siklik.

Ukuran butiran film Al yang diendapkan sangat bergantung pada laju penguapan dan suhu substrat. Semakin besar ukuran butir dan semakin sempurna struktur kristal film, semakin rendah resistivitasnya, semakin kecil efek migrasi listrik dan, sebagai hasilnya, jalur pembawa arus dan kontak ohmik memiliki masa pakai yang lebih lama. Pertumbuhan film Al yang berorientasi pada permukaan silikon yang tidak teroksidasi pada bidang (111) diamati pada laju pengendapan sekitar 3 * 10-2 μm * s-1 dan suhu substrat 200--250°C.

Untuk mendapatkan laju deposisi film yang tinggi, evaporator berkas elektron paling sering digunakan. Dalam hal ini, tingkat kesempurnaan struktur kristal film dapat berubah secara tidak terkendali karena pemanasan radiasi tambahan pada substrat, yang besarnya bergantung pada kekuatan evaporator, dan pada bahan substrat serta ketebalan film. film yang disimpan. Perubahan struktur film yang tidak terkendali juga timbul karena adanya partikel bermuatan dalam berkas molekul uap Al yang menguap. Semakin tinggi arus emisi katoda dan semakin tinggi laju penguapan, semakin tinggi pula konsentrasi partikel bermuatan.

Salah satu kelemahan signifikan film Al murni adalah perpindahan materi sebagai akibat elektrodifusi (perpindahan ion material sepanjang konduktor, apakah terdapat perbedaan potensial pada ujung konduktor). Kecepatan pergerakan ion merupakan fungsi suhu dan meningkat seiring suhu. Selain elektrodifusi, difusi atom logam juga dimungkinkan karena perbedaan suhu di ujung konduktor. Jika Al diendapkan pada silikon oksida, hal ini menyebabkan pembuangan panas yang buruk, munculnya pusat “panas” pada jalur konduktif dan, sebagai akibatnya, gradien suhu yang signifikan. Elektromigrasi Al pada kepadatan arus yang lebih rendah dibandingkan logam lain menyebabkan munculnya rongga pada film (efek Kirkendall).

Karena elektrodifusi adalah proses aktivasi, hal ini sangat bergantung pada keadaan permukaan batas butir. Mengurangi luasnya batas dengan meningkatkan ukuran butir dan memilih bahan pelapis pelindung dapat meningkatkan energi aktivasi secara signifikan dan, sebagai konsekuensinya, waktu antar kegagalan. Peningkatan waktu antar kegagalan yang signifikan dapat dicapai dengan menambahkan pengotor tembaga, magnesium, kromium, dan aluminium oksida ke aluminium.

Setelah mengaplikasikan film A1 dan mendapatkan konfigurasi jalur pembawa arus yang diperlukan, A1 dilebur menjadi silikon pada suhu 500-550°C untuk mendapatkan kontak resistansi rendah. Migrasi kelebihan silikon pada jalur arus yang berdekatan dengan substrat kontak menyebabkan A1 terkelupas dan kegagalan IC. Untuk mencegah hal ini, saat menguapkan A1, perlu memasukkan sekitar 2 berat. % silikon. Penambahan silikon ke bantalan kontak dari A1 mengurangi migrasi silikon dari lapisan emitor dangkal (sekitar 1 μm), yang secara signifikan meningkatkan kinerja IC pada transistor bipolar dan mencegah hubungan arus pendek pada sambungan emitor dangkal di IC . Untuk mencegah migrasi silikon ke dalam film A1, film titanium dapat digunakan sebagai lapisan perantara. Penggunaan metode pembuatan kontak ohmik dengan sublapisan titanium pada IC kerja cepat memungkinkan peningkatan waktu antar kegagalan sebanyak 20 kali lipat. Selain titanium, lapisan bawah platina atau paladium dapat digunakan untuk membentuk silisida platina atau silisida paladium.

Selain kelebihan-kelebihan yang disebutkan sebelumnya, metalisasi aluminium juga memiliki sejumlah kelemahan yang signifikan, yang paling penting adalah sebagai berikut:

energi aktivasi atom A1 yang rendah, menyebabkan migrasi listrik pada rapat arus sekitar 106 A/cm2 dan suhu tinggi, mengakibatkan munculnya rongga pada film;

kemungkinan korsleting melalui dielektrik dalam sistem metalisasi bertingkat karena pembentukan tonjolan tajam pada ludah sebagai akibat dari migrasi listrik dan rekristalisasi A1;

bahaya korosi galvanik Al bila menggunakan logam lain secara bersamaan; tingkat difusi A1 yang tinggi sepanjang batas butir, yang tidak memungkinkan penggunaan perangkat dengan metalisasi A1 pada suhu di atas 500°C;

interaksi kimia yang intens antara A1 dengan silikon dioksida pada suhu sekitar 500°C;

titik leleh rendah dalam sistem eutektik aluminium-silikon adalah sekitar 577°C;

perbedaan besar (6 kali) antara koefisien muai panas A1 dan 51;

kelembutan A1 dan, akibatnya, kekuatan mekanik film yang rendah;

ketidakmungkinan menghubungkan kabel dengan menyolder;

tegangan ambang batas tinggi dalam struktur MOS karena fungsi kerja yang tinggi.

Karena kelemahan yang tercantum, metalisasi aluminium tidak digunakan pada IC dan transistor dengan sambungan emitor kecil, serta pada IC MIS untuk ... membuat elektroda gerbang. Untuk tujuan ini, sistem satu lapis dan multilapis yang terbuat dari berbagai logam digunakan (termasuk A1 untuk lapisan atas). Bahan yang paling cocok adalah tungsten dan molibdenum. Secara khusus, tungsten memiliki TCR yang hampir sama dengan silikon, kontak ohmik yang baik terhadap konduktivitas tipe silikon dan n, perbedaan kecil (2,5 kali) dari aluminium dalam konduktivitas listrik, energi aktivasi tertinggi dari semua logam selama difusi diri, tinggi suhu peleburan eutektik dengan silikon, kelembaman kimia di udara dan dalam larutan asam fluorida, serta kekerasan tinggi, yang menghilangkan kemungkinan goresan pada film.

Karena ketahanan suhu tinggi W, maka dapat digunakan untuk metalisasi multi-lapisan, lapisan silikon dioksida bergantian dengan W. Selama perlakuan panas, tidak ada gundukan yang terbentuk pada permukaan film dan tidak ada bahaya korsleting antara jalur pembawa arus dalam metalisasi multi-lapis. Selain itu, film W (serta film Mo) merupakan penghalang metalurgi yang mencegah pembentukan struktur interkristalin silikon dan aluminium.

Kerugian dari metalisasi W adalah sulitnya memperoleh film (yang biasanya menggunakan pirolisis tungsten heksofluorida) dan mengetsanya (dalam larutan alkali ferrocyanide). Kedua proses ini rumit dan melibatkan zat beracun. Selain itu, tidak mungkin menyambungkan kabel eksternal langsung ke tungsten, sehingga beberapa logam lain (Pt, Ni, Au, Cu, Al, dll.) diaplikasikan di atasnya ke bantalan kontak.

Dalam pembuatan IC gelombang mikro, IC tujuan khusus, dan juga dalam teknologi hybrid, digunakan metalisasi, yang terdiri dari beberapa lapisan logam tipis. Dalam hal ini, biasanya lapisan logam pertama (bawah) harus memiliki daya rekat tinggi terhadap silikon dan silikon dioksida dan pada saat yang sama memiliki kelarutan dan koefisien difusi yang rendah dalam bahan-bahan tersebut. Persyaratan ini dipenuhi oleh logam seperti kromium, titanium, molibdenum, dan platinum silisida. Dengan metalisasi dua lapis, lapisan logam kedua (atas) harus memiliki konduktivitas listrik yang tinggi dan memastikan pengelasan kawat mengarah ke sana. Namun, dalam beberapa sistem (seperti Cr-Au, Ti-Au atau Cr-Cu) kontak

Selama perlakuan panas, mereka kehilangan kekuatan mekanik akibat pembentukan senyawa intermetalik pada batasnya. Selain itu, logam di atasnya berdifusi melalui lapisan di bawahnya ke dalam silikon, yang mengurangi kekuatan mekanik sambungan dan mengubah resistansi kontak. Untuk menghilangkan fenomena ini, biasanya digunakan lapisan logam ketiga, yang merupakan penghalang yang mencegah interaksi lapisan metalisasi atas dengan silikon. Misalnya, dalam sistem rangkap tiga Tt-Pl-Au, yang digunakan dalam pembuatan terminal balok, lapisan

Beras. 1. Skema proses pembuatan metalisasi dua tingkat pada sistem A1-A1rOz-A1. film tipis terintegrasi mikroelektronika

a-- menerapkan lapisan silikon oksida tebal dan tipis sebelum metalisasi (area kontak ohmik ditunjukkan); b - penerapan aluminium, membentuk tingkat pertama; c -- ukiran foto logam tingkat pertama; d - anodisasi metalisasi tingkat pertama dengan topeng fotoresist; e - penerapan aluminium yang membentuk tingkat kedua;

Pt dengan ketebalan sekitar 5X10-2 μm berfungsi sebagai penghalang difusi A1 ke S1. Selain itu, untuk terminal berkas di IC MIS, digunakan sistem Cr-Ag-Au, Cr-Ag-Pt, Pd-Ag-Au, di mana film perak berperan sebagai penghalang. Untuk IC hybrid dan jalur IC gelombang mikro stripline, sistem Cr-Cu dan Cr-Cu-Cr digunakan.

Peningkatan kepadatan elemen pada sebuah chip memerlukan penggunaan metalisasi multi-level. Pada Gambar. Gambar 1 menunjukkan urutan pembuatan metalisasi dua tingkat dalam sistem A1-A1203-A1, yang digunakan pada perangkat berpasangan muatan.

Bahan isolasi yang relatif baru untuk metalisasi multi-level adalah polimida, yang dengannya diperoleh metalisasi lima tingkat LSI pada transistor MOS.

3.Faktor-faktor yang mempengaruhi sifat-sifat film tipis

Pertumbuhan suatu zat pada substrat dari zat lain merupakan proses yang sangat kompleks, bergantung pada sejumlah besar parameter yang sulit dikendalikan: struktur substrat, keadaan permukaannya, suhu, sifat-sifat zat yang diuapkan. dan laju pengendapannya, bahan dan desain evaporator, derajat vakum, komposisi lingkungan sisa dan lain-lain. Di meja Gambar 1 menunjukkan hubungan antara sifat-sifat film dan kondisi pengendapannya.

Properti film

faktor yang mempengaruhi sifat-sifat ini

Ukuran butir

Bahan substrat dan film. Kontaminasi substrat.

Mobilitas atom bahan yang diendapkan di permukaan

substrat (suhu substrat, laju deposisi).

Struktur permukaan substrat (derajat kekasaran,

adanya kristal)

Penempatan kristal

Struktur substrat "" (monokristalin,

polikristalin atau amorf). Kontaminasi substrat

(pelanggaran struktur film). Suhu substrat

(memastikan mobilitas yang diperlukan dari atom-atom yang diendapkan

bahan)

Adhesi antar film

Bahan substrat dan film. Proses tambahan

(misalnya, pembentukan lapisan oksida perantara

antara film dan substrat). Kontaminasi substrat.

Mobilitas atom bahan yang diendapkan

Polusi

Kemurnian bahan yang diuapkan. Bahan evaporator.

Kontaminasi substrat. Tingkat vakum dan komposisi

gas dan laju pengendapan

Oksidasi

Derajat afinitas kimia bahan yang diendapkan terhadap

oksigen. Penyerapan uap air oleh substrat.

Suhu substrat. Tingkat vakum dan komposisi

lingkungan sisa. Hubungan antara tekanan sisa

gas dan laju pengendapan

Tegangan

Bahan film dan substrat. Suhu substrat.

Ukuran butir, inklusi, cacat kristalografi

film. anil. Sudut antara berkas molekul dan substrat

Bergantung pada kondisi pengendapan spesifik, film dari zat yang sama mungkin memiliki ciri struktural utama berikut: struktur amorf, ditandai dengan tidak adanya kisi kristal; struktur koloid (berbutir halus), ditandai dengan adanya kristal yang sangat kecil (kurang dari 10~2 µm); struktur granular (berbutir kasar) dengan kristal besar (10-1 m atau lebih); struktur monokristalin, ketika seluruh film merupakan kisi kristal kontinu dari atom-atom bahan tertentu.

4.Substrat

Bahan yang digunakan untuk pembuatan substrat harus mempunyai komposisi yang homogen, permukaan halus (dengan grade finishing 12-14), mempunyai kekuatan listrik dan mekanik yang tinggi, inert secara kimia, mempunyai ketahanan panas dan konduktivitas termal yang tinggi, koefisien muai panas. dari bahan substrat dan film yang diendapkan harus memiliki nilai yang hampir sama. Sangat jelas bahwa hampir tidak mungkin untuk memilih bahan untuk substrat yang dapat memenuhi semua persyaratan yang tercantum.

Sebagai substrat untuk IC hybrid, saya menggunakan keramik kaca, fotositall, keramik alumina tinggi dan berilium, kaca, polikor, polimida, serta logam yang dilapisi dengan film dielektrik.

Sitalls adalah bahan kaca-keramik yang diperoleh dengan perlakuan panas (kristalisasi) kaca. Kebanyakan keramik kaca diperoleh dalam sistem Li2O-Al2O3-SiO2-TiO2 dan RO-Al2O3-SiO2-TiO2 (CO tipe CaO, MgO, BaO).

Tidak seperti kebanyakan bahan kristal tahan api berkekuatan tinggi, kaca-keramik memiliki fleksibilitas yang baik selama pembentukan. Dapat ditekan, ditarik, digulung, dan dicetak secara sentrifugal, serta tahan terhadap perubahan suhu yang tiba-tiba. Memiliki rugi-rugi dielektrik yang rendah, kekuatan listriknya tidak kalah dengan jenis keramik vakum terbaik, dan kekuatan mekaniknya 2-3 kali lebih kuat dari kaca. Sitall tidak berpori, kedap gas, dan memiliki sedikit evolusi gas pada suhu tinggi.

Karena keramik kaca memiliki struktur multifasa, ketika terkena berbagai reagen kimia yang digunakan, misalnya, untuk membersihkan permukaan substrat dari kontaminan, etsa selektif yang dalam pada fase individu dimungkinkan, yang mengarah pada pembentukan relief yang tajam dan dalam. pada permukaan substrat. Adanya kekasaran pada permukaan substrat mengurangi reprodusibilitas parameter dan keandalan resistor dan kapasitor film tipis. Oleh karena itu, untuk mengurangi ketinggian dan menghaluskan tepi ketidakteraturan mikro, terkadang lapisan primer dari bahan dengan sifat dielektrik dan perekat yang baik, serta struktur yang seragam (misalnya, lapisan silikon monoksida setebal beberapa mikron) diterapkan. ke substrat.

Dari gelas tersebut, gelas silikat amorf, kaca bebas alkali C48-3, kaca borosilikat dan kaca kuarsa digunakan sebagai substrat. Gelas silikat diperoleh dari lelehan oksida cair dengan pendinginan super, sehingga struktur cairan dipertahankan, yaitu keadaan amorf yang khas. Meskipun gelas mengandung area dengan fase kristal - kristalit, gelas tersebut didistribusikan secara acak ke seluruh struktur, menempati sebagian kecil volume dan tidak memiliki pengaruh yang signifikan terhadap sifat amorf kaca.

Kaca kuarsa adalah kaca silikat satu komponen, hampir seluruhnya terdiri dari silikon dan diperoleh dengan melebur varietas alaminya. Ia memiliki koefisien muai panas yang sangat rendah, yang menentukan ketahanan panasnya yang sangat tinggi. Dibandingkan dengan kaca lainnya, kaca kuarsa bersifat inert terhadap aksi sebagian besar reagen kimia. Asam organik dan mineral (dengan pengecualian asam fluorida dan fosfat) dengan konsentrasi berapa pun, bahkan pada suhu tinggi, hampir tidak berpengaruh pada kaca kuarsa.

Substrat keramik jarang digunakan karena porositasnya yang tinggi. Keuntungan dari substrat ini adalah kekuatan tinggi dan konduktivitas termal. Misalnya, substrat keramik berbahan dasar BeO memiliki konduktivitas termal 200-250 kali lebih tinggi dibandingkan kaca, sehingga dalam kondisi termal yang intens, disarankan untuk menggunakan keramik berilium. Selain keramik berilium, digunakan keramik alumina tinggi (94% Al2Oz), aluminium oksida padat, keramik steatit, dan keramik berlapis aluminium oksida. Perlu dicatat bahwa ketebalan glasir kurang dari 100 mikron dan oleh karena itu tidak memberikan penghalang nyata antara film dan substrat pada tingkat daya rendah. Kekasaran mikro keramik yang tidak diolah ratusan kali lebih besar dibandingkan kaca, mencapai beberapa ribu angstrom. Mereka dapat dikurangi secara signifikan dengan memoles, tetapi hal ini secara signifikan mencemari permukaan keramik.

Kehadiran kontaminan pada substrat mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap adhesi dan sifat listrik film. Oleh karena itu, sebelum pengendapan, substrat harus dibersihkan secara menyeluruh, serta dilindungi dari kemungkinan munculnya lapisan oli yang mungkin timbul akibat migrasi uap fluida kerja dari pompa. Metode pembersihan yang efektif adalah pemboman ion pada permukaan substrat dalam plasma pelepasan cahaya. Untuk tujuan ini, elektroda khusus biasanya disediakan di ruang kerja instalasi vakum, yang tegangan beberapa kilovolt disuplai dari sumber tegangan tinggi berdaya rendah. Elektroda paling sering terbuat dari aluminium karena memiliki tingkat sputtering katoda terendah di antara logam.

Perlu diingat bahwa kontaminasi kecil sekalipun dapat mengubah kondisi pertumbuhan film sepenuhnya. Jika kontaminan terletak pada substrat dalam bentuk pulau-pulau kecil yang terisolasi satu sama lain, maka tergantung pada energi pengikatan mana yang lebih besar: antara bahan film dan bahan kontaminan atau antara bahan film dan substrat, film dapat terbentuk pada substrat. pulau-pulau ini atau pada bagian substrat yang gundul.

Adhesi film sangat bergantung pada keberadaan lapisan oksida, yang mungkin timbul selama proses pengendapan antara film dan substrat. Lapisan oksida seperti itu terbentuk, misalnya, selama pengendapan besi dan nikrom, yang menjelaskan daya rekat yang baik dari film-film ini. Film yang terbuat dari emas, yang tidak mengalami oksidasi, memiliki daya rekat yang buruk, dan oleh karena itu sublapisan perantara dari bahan dengan daya rekat tinggi harus dibuat antara emas dan substrat. Diinginkan bahwa lapisan oksida yang dihasilkan terkonsentrasi antara film dan substrat. Jika oksida tersebar ke seluruh film atau terletak di permukaannya, maka sifat film dapat berubah secara signifikan. Pembentukan oksida sangat dipengaruhi oleh komposisi gas sisa dalam volume kerja instalasi dan, khususnya, oleh adanya uap air.

5. Resistor film tipis

Bahan yang digunakan dalam pembuatan film resistif harus memberikan kemampuan untuk memperoleh berbagai resistor stabil waktu dengan koefisien resistansi suhu rendah (TCR), memiliki daya rekat yang baik, ketahanan korosi yang tinggi, dan ketahanan terhadap paparan suhu tinggi dalam waktu lama. Ketika bahan diendapkan pada substrat, garis-garis tipis dan jelas dengan konfigurasi kompleks harus dibentuk dengan pengulangan pola yang baik dari sampel ke sampel.

Film resistif paling sering memiliki struktur tersebar berbutir halus. Kehadiran dispersi r, struktur film memungkinkan, dalam perkiraan pertama, untuk mempertimbangkan hambatan listriknya sebagai hambatan total butiran individu dan penghalang di antara mereka, di mana sifat hambatan total menentukan besaran dan tanda TK .S. Jadi, misalnya, jika ketahanan butiran itu sendiri lebih dominan, maka konduktivitas film bersifat logam dan TCR akan positif. Di sisi lain, jika resistansi disebabkan oleh lewatnya elektron melalui celah antar butiran (yang biasanya terjadi pada ketebalan film kecil), maka konduktivitas akan bersifat semikonduktor dan TCR akan menjadi negatif.

Pembuatan IC monolitik terutama menggunakan resistor impedansi tinggi. Agar resistor sekecil mungkin, resistor tersebut harus diproduksi dengan resolusi dan toleransi yang sama dengan elemen IC lainnya. Hal ini tidak termasuk penggunaan masker logam gratis untuk mendapatkan konfigurasi resistor yang diperlukan dan memungkinkannya dilakukan hanya dengan menggunakan fotolitografi.

Saat membuat IC monolitik daya mikro menggunakan teknologi gabungan, perlu untuk menempatkan resistor resistansi tinggi dengan resistansi hingga beberapa megaohm pada area kristal yang relatif kecil, yang hanya dapat dicapai jika bahan resistor memiliki Rs (10--20) kOhm/c. Proses pembuatan resistor harus dipadukan dengan proses teknologi utama pembuatan seluruh IC silikon menggunakan teknologi planar atau epitaxial-planar. Misalnya, film resistif tidak boleh peka terhadap keberadaan silikon nitrida, fosfor, kaca borosilikat, dan bahan lain yang digunakan dalam produksi IC monolitik pada wafer silikon. Bahan tersebut harus tahan terhadap suhu yang relatif tinggi (500-550°C) yang terjadi selama proses penyegelan IC, dan dalam beberapa kasus tidak boleh mengubah sifat-sifatnya di bawah pengaruh lingkungan pengoksidasi. IC monolitik terutama menggunakan nichrome dan tanta untuk membuat resistor.

Dalam pembuatan IC hybrid, bahan resistor film tipis yang lebih beragam digunakan.

Sebagai film resistansi rendah dengan Rs dari 10 hingga 300 Ohm. Film kromium, nichrome dan t-tal digunakan. Produksi film kromium dengan sifat elektrofisika yang dapat direproduksi agak rumit karena kemampuannya membentuk senyawa (terutama oksida) ketika berinteraksi dengan gas sisa selama penguapan dan pengendapan. Resistor berbahan dasar paduan kromium-nikel (20% Cr dan 80% Ni) memiliki karakteristik yang jauh lebih stabil. Film Tantalum, karena adanya berbagai modifikasi struktural, memiliki rentang resistansi permukaan yang sangat luas (dari beberapa Ohm/s untuk a). -tantalum hingga beberapa MOhm/s untuk tantalum densitas rendah ) Tantalum nitrida juga digunakan sebagai bahan resistif yang sangat stabil.

Peningkatan peringkat resistor yang signifikan dicapai melalui penggunaan film logam-keramik dan film silisida dari beberapa logam. Dalam sistem ini, kromium paling sering digunakan sebagai logam, dan oksida, borida, nitrida dan silisida dari logam transisi, serta juga sebagai oksida dari beberapa metaloid, digunakan sebagai dielektrik. Film yang terbuat dari kromium disilisida, serta film yang terbuat dari paduan silikon, kromium dan nikel, memiliki Rs hingga 5 kOhm/s; untuk film berdasarkan sistem kromium --- silikon monoksida Rs, bergantung pada kandungan kromium, dapat bervariasi dari satuan hingga ratusan Ohm/s.

6. Kapasitor film tipis

Kapasitor film tipis, meskipun struktur tiga lapisnya tampak sederhana, adalah yang paling rumit dan padat karya dibandingkan dengan elemen pasif film lainnya.

Berbeda dengan resistor, pad dan switching, dalam pembuatannya cukup untuk menyimpan satu atau dua lapisan (sublapisan dan lapisan), pembuatan kapasitor film tipis memerlukan pengendapan setidaknya tiga lapisan: pelat bawah, film dielektrik dan pelat atas (penggunaan lebih banyak pelat mempersulit proses pembuatan kapasitor dan meningkatkan biayanya).

Bahan yang digunakan untuk pembuatan film dielektrik harus mempunyai daya rekat yang baik pada logam yang digunakan untuk pelat kapasitor, padat dan tidak mengalami kerusakan mekanis bila terkena siklus suhu, mempunyai tegangan tembus yang tinggi dan rugi-rugi dielektrik yang rendah, mempunyai dielektrik yang tinggi. konstan, dan tidak terurai selama proses penguapan dan pengendapan serta mempunyai higroskopisitas minimal.

Bahan yang paling umum digunakan sebagai dielektrik pada kapasitor film adalah silikon monoksida (Si0) dan germanium monoksida (GeO). Dalam beberapa tahun terakhir, gelas aluminosilikat, borosilikat dan antimonidogermanium telah digunakan untuk tujuan ini.

Dielektrik yang paling menjanjikan adalah senyawa kaca komposit, karena mereka memiliki kemampuan untuk mengubah sifat elektrofisika, fisikokimia dan termodinamika dalam rentang yang luas dengan memilih komposisi kaca dan menerapkan ciri-ciri keadaan agregat sistem kaca dalam logam film tipis. -struktur logam dielektrik.

7. Film tantalum dan senyawanya

Dalam beberapa tahun terakhir, film tantalum dan senyawanya semakin banyak digunakan dalam pembuatan elemen film sirkuit terpadu. Pilihan tantalum sebagai bahan awal sebagian besar dijelaskan oleh fakta bahwa, tergantung pada kondisi untuk memperoleh film tallalum, mereka dapat memiliki struktur yang berbeda dan, karenanya, mengubah resistivitas dan koefisien suhunya dalam batas yang luas.

Dalam hal struktur kristal dan sifat listrik, film b-tantalum paling dekat dengan sampel curah; film ini memiliki struktur pusat tubuh kristal kasar dan memiliki resistivitas yang relatif rendah (20-40 Ohm-cm). Berbeda dengan k-tantalum, p-tantalum, yang memiliki struktur kristal halus tetragonal dan resistivitas 160-200 km Ohm*cm, tidak ditemukan dalam sampel masif. Modifikasi tantalum yang metastabil ini hanya merupakan karakteristik film tipis.

Produksi film b - dan c - tantalum biasanya dilakukan dengan sputtering katoda pada tegangan 4--5 kV dan rapat arus 0,1--1 mA/cm2. Jika Anda mengurangi tegangan dan tidak meningkatkan tekanan argon, arus pelepasan akan berkurang, yang akan menyebabkan penurunan laju deposisi secara signifikan. Hal ini menghasilkan film dengan kepadatan rendah, memiliki struktur berpori tinggi dengan ukuran pori (4--7)-10-3 µm, terdiri dari butiran k- atau p-tantalum dalam jumlah lebih besar dengan ukuran kristal (3--5 ) * 10-2 mikron. Porositas film yang tinggi dan munculnya sistem campuran logam-dielektrik menyebabkan peningkatan resistivitas yang tidak wajar (sekitar 200 kali dibandingkan dengan b-tantalum) dan perubahan koefisien suhunya. Jika nitrogen ditambahkan ke argon dalam jumlah yang jauh melebihi gas sisa, film tantalum nitrida dapat diperoleh dengan dua keadaan stabil Ta2N dan TaN dengan struktur kristal dan sifat listrik yang berbeda.

Kehadiran beberapa modifikasi tantalum (b- dan b-tantalum, tantalum densitas rendah) dan nitridanya memungkinkan untuk memilih berbagai solusi topologi saat merancang bagian pasif dari sirkuit mikro.

B-tantalum murni, karena tekanan mekanis yang tinggi pada film dan daya rekat yang buruk pada substrat, belum digunakan secara luas dalam pembuatan elemen RC dari sirkuit mikro; b-tantalum digunakan untuk pembuatan pelat bawah kapasitor dan sebagian untuk produksi resistor. Tantalum nitrida dan tantalum densitas rendah digunakan untuk membuat resistor. Nilai praktis tantalum densitas rendah terletak pada kemampuannya untuk memperoleh resistor film tipis yang sangat stabil (dari 10 kOhm hingga beberapa megaohm) berukuran kecil dan memiliki konfigurasi sederhana. Kapasitor film tipis dapat dibuat lebih mudah dari tantalum berdensitas rendah, karena dalam hal ini elektroda atas, serta elektroda bawah, dapat diperoleh dengan menyemprotkan tantalum, sedangkan bila menggunakan tantalum dengan kerapatan normal, upaya untuk mendapatkan bagian atas elektroda dengan cara ini sering mengakibatkan kerusakan pada lapisan dielektrik. Selain itu, tantalum densitas rendah memungkinkan pembuatan rangkaian RC dengan parameter terdistribusi dan nilai resistor yang dapat disesuaikan, yang dapat digunakan sebagai elektroda atas kapasitor.

Tantalum pentoksida (Ta2O5), diperoleh dengan anodisasi elektrolitik atau plasma, memiliki rugi-rugi dielektrik yang rendah dan dapat digunakan baik sebagai dielektrik kapasitor maupun sebagai isolator atau lapisan pelindung resistor. Selain itu, anodisasi dapat digunakan untuk mengatur nilai kapasitor dan resistor secara akurat. Penggunaan etsa ion, serta kelarutan tantalum nitrida, tantalum murni dan oksidanya dalam berbagai etsa, memungkinkan penggunaan berbagai metode untuk mendapatkan konfigurasi sirkuit mikro yang diperlukan.

Jadi, berdasarkan tantalum, dimungkinkan untuk memastikan produksi kelompok elemen pasif (resistor, kapasitor, konduktor penghubung, dan bantalan kontak) dengan parameter terkonsentrasi dan terdistribusi, yang kompleksitasnya tidak kalah dengan elemen yang dibuat berdasarkan elemen lain. bahan, tetapi pada saat yang sama memiliki akurasi, stabilitas, dan keandalan yang jauh lebih besar. Fleksibilitas tantalum dan tidak adanya kebutuhan untuk menggunakan bahan lain menunjukkan bahwa sebagian besar elemen IC pasif dapat diproduksi berdasarkan “teknologi tantalum”.

Kesimpulan

Tahap pengembangan elektronik terintegrasi saat ini ditandai dengan kecenderungan untuk lebih meningkatkan frekuensi pengoperasian dan mengurangi waktu peralihan, meningkatkan keandalan, dan mengurangi biaya bahan dan proses pembuatan IC.

Mengurangi biaya sirkuit terpadu memerlukan pengembangan prinsip-prinsip baru secara kualitatif untuk pembuatannya menggunakan proses berdasarkan fenomena fisik dan kimia yang serupa, yang, di satu sisi, merupakan prasyarat untuk integrasi selanjutnya dari operasi teknologi homogen dari siklus produksi dan, di sisi lain, membuka dasar kemampuan untuk mengontrol semua operasi dari komputer. Kebutuhan akan perubahan kualitatif dalam teknologi dan perlengkapan teknis industri juga ditentukan oleh transisi ke tahap berikutnya dalam pengembangan mikroelektronika - elektronik fungsional, yang didasarkan pada fenomena optik, magnetik, permukaan dan plasma, transisi fase, elektron. -interaksi fonon, efek akumulasi dan transfer muatan, dll.

Kriteria untuk “kemajuan” proses teknologi, bersama dengan peningkatan parameter dan karakteristik produk itu sendiri, adalah efisiensi ekonomi yang tinggi, ditentukan oleh sejumlah kriteria tertentu yang saling terkait yang memastikan kemungkinan membangun rangkaian produk yang sepenuhnya otomatis. , peralatan berperforma tinggi dengan masa pakai yang lama.

Kriteria khusus yang paling penting adalah:

universalitas, yaitu kemampuan untuk melakukan seluruh (atau sebagian besar operasi) siklus produksi dengan menggunakan metode teknologi yang sama;

kontinuitas, yang merupakan prasyarat untuk integrasi selanjutnya (kombinasi) dari sejumlah operasi teknologi dari siklus produksi, dikombinasikan dengan kemungkinan penggunaan pemrosesan kelompok secara simultan dari sejumlah besar produk atau produk setengah jadi;

kecepatan tinggi dari semua operasi utama proses teknologi atau kemungkinan intensifikasinya, misalnya, akibat paparan medan listrik dan magnet, radiasi laser, dll.;

reproduktifitas parameter pada setiap operasi dan persentase hasil yang tinggi dari produk setengah jadi dan produk yang sesuai;

kemampuan manufaktur dari desain suatu produk atau produk setengah jadi yang memenuhi persyaratan produksi otomatis (kemungkinan pemuatan otomatis, pangkalan, pemasangan, perakitan, dll.), yang harus tercermin dalam kesederhanaan bentuk, serta terbatas toleransi terhadap dimensi keseluruhan dan dasar;

formalisasi, yaitu kemungkinan menyusun (berdasarkan ketergantungan analitis parameter produk pada parameter proses teknologi) deskripsi matematis (algoritma) dari setiap operasi teknologi dan pengendalian selanjutnya dari seluruh proses teknologi menggunakan komputer;

kemampuan beradaptasi (vitalitas) proses, yaitu kemampuan untuk bertahan dalam jangka waktu yang lama dalam kondisi kemunculan dan pengembangan proses kompetitif baru yang berkelanjutan dan kemampuan untuk dengan cepat membangun kembali peralatan untuk pembuatan produk jenis baru tanpa biaya modal yang signifikan.

Sebagian besar kriteria yang tercantum dipenuhi oleh proses yang menggunakan fenomena elektronik dan ionik yang terjadi dalam ruang hampa dan gas yang dijernihkan, yang dapat digunakan untuk menghasilkan:

sputtering ion pada logam, paduan, dielektrik dan semikonduktor untuk memperoleh film dengan berbagai ketebalan dan komposisi, interkoneksi, struktur kapasitif, insulasi antarlapisan, kabel antarlapisan;

etsa ion pada logam, paduan, semikonduktor, dan dielektrik untuk menghilangkan area lokal tertentu saat memperoleh konfigurasi IC;

anodisasi plasma untuk mendapatkan film oksida;

polimerisasi film organik di area yang disinari elektron untuk memperoleh lapisan isolasi organik;

membersihkan dan memoles permukaan media;

menumbuhkan kristal tunggal;

penguapan bahan (termasuk bahan tahan api) dan rekristalisasi film;

penggilingan mikro film;

pengelasan mikro dan penyolderan mikro untuk menyambung kabel IC, serta rumah penyegel;

metode non-kontak untuk memantau parameter IC.

Kesamaan fenomena fisik dan kimia yang menjadi dasar proses-proses ini menunjukkan kemungkinan mendasar dari integrasi selanjutnya untuk menciptakan basis teknologi baru untuk produksi otomatis sirkuit terpadu dan perangkat elektronik fungsional berkinerja tinggi.

Diposting di Allbest.ru

...

Dokumen serupa

Latar belakang sejarah singkat perkembangan sirkuit terpadu. Ilmuwan Amerika dan Soviet yang memberikan kontribusi besar terhadap pengembangan dan pengembangan lebih lanjut sirkuit terpadu. Pelanggan dan konsumen perkembangan pertama mikroelektronika dan TS R12-2.

abstrak, ditambahkan 26/01/2013

Penciptaan sirkuit terpadu dan pengembangan mikroelektronika di seluruh dunia. Produksi elemen peralatan elektronik murah. Kelompok utama sirkuit terpadu. Penciptaan sirkuit terpadu pertama oleh Kilby. Sirkuit terpadu semikonduktor pertama di Uni Soviet.

abstrak, ditambahkan 22/01/2013

Informasi teknis singkat tentang produk KR1095 PP1, tujuan input dan output, proses pembuatannya. Peran menghubungkan metalisasi dalam produksi sistem terintegrasi dan mekanisme kegagalan akibat migrasi listrik. Pengembangan sistem magnetron.

tesis, ditambahkan 25/05/2009

Topologi dan elemen transistor MOS dengan dioda Schottky. Urutan operasi teknologi produksinya. Pengembangan proses teknologi pembuatan sirkuit terpadu semikonduktor. Karakteristik bahan dan reagen yang digunakan.

tugas kursus, ditambahkan 06.12.2012

Prinsip pengoperasian dioda semikonduktor, sifat sambungan pn, difusi dan pembentukan lapisan pemblokiran. Penggunaan dioda sebagai penyearah arus, sifat dan aplikasi transistor. Klasifikasi dan teknologi pembuatan sirkuit terpadu.

presentasi, ditambahkan 29/05/2010

Masalah struktural kondisi termal film logam dari sirkuit terpadu semikonduktor tanpa paket: diagram pemanasan dan perhitungan keandalan desain awal. Tingkat kegagalan desain dan struktur konduktor metalisasi.

abstrak, ditambahkan 13/06/2009

Sifat elektrofisika bahan semikonduktor, kegunaannya untuk pembuatan perangkat semikonduktor dan perangkat mikroelektronika. Dasar-dasar teori pita benda padat. Pita energi semikonduktor. Fondasi fisik nanoelektronik.

tugas kursus, ditambahkan 28/03/2016

Analisis teknologi pembuatan papan sirkuit terpadu semikonduktor - semacam sirkuit mikro, yang elemen-elemennya dibuat di lapisan dekat permukaan substrat semikonduktor. Karakteristik silikon monokristalin. Menumbuhkan kristal tunggal.

tugas kursus, ditambahkan 03/12/2010

Keandalan komponen elektronik, kerusakan terowongan di dalamnya dan metode penentuannya. Keandalan metalisasi dan kontak sirkuit terpadu, parameter keandalannya. Mekanisme kegagalan acak dioda dan transistor bipolar dari sirkuit terpadu.

abstrak, ditambahkan 10/12/2009

Planarisasi adalah proses suhu rendah yang menghaluskan permukaan pelat. Cacat metalisasi dua tingkat. Tujuan lapisan konduktif dalam metalisasi multilayer. Modul multi-chip tipe MKM-D dan MKM-A, karakteristik.