Fondamenti fisici della microelettronica. Fondamenti fisici della microelettronica, dispense Progetti e parametri di generatori basati su diodi Gunn

Istituto Politecnico di Sarapul (filiale)

Istituzione educativa statale

istruzione professionale superiore

"Università tecnica statale di Izhevsk"

Dipartimento di Cipro

Lavoro del corso

Disciplina: Fondamenti fisici della microelettronica.

Sul tema: dislocazioni. Vettore di hamburger. Effetto della dislocazione sulle proprietà

materiali di costruzione.

Fatto: Controllato:

studente gr. 471 insegnanti

Volkov A.V. Ivannikov V.P.

Sarapul, 2010

Introduzione................................................. ...................... 1

Tipi di dislocazione............................................ .......... ... ..2

Vettore di contorni e hamburger...............................2-3

Movimento di dislocazione.................................... ... ...3-4

Densità delle dislocazioni................................................ ...4

Forza che agisce su una lussazione................................4-5

Energia di dislocazione.................................... ... ..5

Riproduzione e accumulo di lussazioni................................5-6

Dislocazioni franche e difetti di impilamento................6

Dislocazioni e proprietà fisiche dei cristalli.....7

Dipendenza della forza dalla presenza di dislocazione...7-8

Crescita dei cristalli.................................... ...................8

Dislocazioni e conduttività elettrica..............................8-9

Conclusione................................................. ......................10

Elenco dei riferimenti............................................ 11

introduzione

La teoria della dislocazione apparve negli anni '50. secolo scorso a causa del fatto che i calcoli teorici sulla resistenza dei materiali differivano significativamente da quelli pratici.

La resistenza teorica al taglio di un cristallo fu calcolata per la prima volta da Frenkel, sulla base di un semplice modello di due file di atomi spostate dallo stress di taglio. La distanza interplanare (distanza tra le file) è uguale a UN , e la distanza tra gli atomi nella direzione di scorrimento è uguale a B . Sotto sforzo di taglio τ queste file di atomi vengono spostate l'una rispetto all'altra, finendo in posizioni di equilibrio in punti come UN , IN E CON , D , dove lo sforzo di taglio richiesto per una data configurazione di taglio è zero. Nelle posizioni intermedie, lo sforzo di taglio ha valori finiti, che cambiano periodicamente nel volume del reticolo. Assumere lo sforzo di taglio τ sarà una funzione di offset X con punto B :

(1.1)

Per piccoli offset:

(1.2)

Usando la legge di Hooke:

, (1.3)

dove G è il modulo di taglio e – deformazione a taglio, trovare il coefficiente di proporzionalità A :

(1.4)

Sostituendo questo valore A nella (1.1) otteniamo:

(1.5)

Valore massimo τ , corrispondente alla tensione alla quale il reticolo entra in uno stato instabile:

Può essere accettato un ≈ B , quindi lo sforzo di taglio

Le sollecitazioni tangenziali teoriche dei vari materiali così calcolate sono risultate significativamente più elevate rispetto ai valori pratici. Così per il rame

valore teorico

= 760 kgf/mm, e il valore pratico per i veri cristalli = 100 kgf/mm.

A causa della forte discrepanza tra i risultati teorici e quelli pratici, si è ipotizzata la presenza di microscopici difetti lineari e dislocazioni nel cristallo.

Le dislocazioni sono discontinuità nella continuità di spostamento tra due parti di un cristallo, una delle quali subisce spostamento e l'altra no. Pertanto, la deformazione è rappresentata dal passaggio sequenziale delle dislocazioni lungo il piano di scorrimento e non dal taglio simultaneo attraverso il cristallo.

Tipi di dislocazioni.

Esistono due tipi principali di dislocazioni: bordo e vite.

1. Dislocazioni dei bordi.

Il modello di dislocazione del bordo può essere rappresentato tagliando una fessura in un pezzo di un corpo elastico solido ABCD , terminando lungo la linea AB all'interno di questo pezzo (Fig. 1). Il materiale da un lato si sposta, creando un gradino CDEF . Linea UN B , corrispondente alla fine dello spazio vuoto, è il confine tra il materiale deformato e quello indeformato, determina i punti in cui la linea di dislocazione esce dalla superficie del corpo.

Fig.1 Fig.2

La Figura 2 mostra un modello visivo di una dislocazione del bordo in un reticolo cubico semplice. La dislocazione del bordo è causata dalla presenza di un semipiano A in più, perpendicolare al piano di scorrimento B (Fig. 2).

Il semipiano aggiuntivo può trovarsi al di sopra del piano di scorrimento (come in Fig. 2), quindi la dislocazione si dice positiva se il semipiano è al di sotto, è negativa;

2. Dislocazioni della vite:

Il modello di dislocazione della vite è simile ad una dislocazione del bordo, ma la direzione della dislocazione della vite è parallela alla linea AB, si forma un gradino ADEF (Fig. 3).

Fig. 3 Modello di dislocazione della vite.

Contorno e vettore degli hamburger:

Per descrivere le dislocazioni nei cristalli, viene introdotto il concetto di contorno e vettore di Burgers. Un contorno disegnato in un reticolo perfetto è un rettangolo chiuso in cui l'ultimo dei vettori disegnati arriva al punto iniziale in Fig. 4. Il contorno che racchiude la dislocazione ha una discontinuità e il vettore che deve essere disegnato affinché il contorno si chiuda è chiamato vettore di Burgers, e il contorno disegnato è chiamato contorno di Burgers. Il vettore di Burgers determina l'entità e la direzione della rottura; solitamente è pari a una distanza interatomica ed è costante per tutta la lunghezza della dislocazione, indipendentemente dal fatto che cambi la sua direzione o posizione. In un cristallo perfetto, il vettore Burgers è zero. In un cristallo con una dislocazione del bordo, è parallelo alla direzione di scorrimento e corrisponde al vettore di scorrimento in Fig. 5. In un cristallo con dislocazione a vite, è perpendicolare al piano di scorrimento Fig. 6

Fig.4 Fig.5 Fig.6

In un cristallo sono possibili anche dislocazioni che giacciono completamente all'interno del cristallo e non si estendono alla sua superficie, come quelle discusse sopra. Le dislocazioni all'interno di un cristallo possono essere interrotte in altre dislocazioni, ai confini dei grani e in altre interfacce. Pertanto all'interno del cristallo sono possibili anelli di dislocazioni o reti interconnesse di dislocazioni. Tale dislocazione può essere separata dalla zona indeformata mediante una linea di dislocazione a forma di anello o ansa, in particolare può essere ottenuta comprimendo un corpo nel cristallo; La Figura 7 mostra la formazione di una dislocazione prismatica mediante rientranza sull'area ABCD.

In questo caso si forma una dislocazione di bordo e di vite, il vettore di Burgers, che è la somma vettoriale delle componenti della dislocazione: (1.6)

Nel punto in cui tre dislocazioni si uniscono, i loro vettori Burgers sono legati dalla relazione:

(1.7)

Movimento di dislocazione.

Una proprietà importante delle dislocazioni è la loro capacità di muoversi sotto l'influenza di stress meccanico. Lasciamo che un segmento elementare dl di una dislocazione mista con il vettore di Burgers b si muova nella direzione dz. Il volume costruito su questi tre vettori:

dV = (dz×dl) b, (1.8)

è equivalente al volume di materiale che si muove nel cristallo quando si sposta una dislocazione. Se V=0, il movimento della dislocazione non è accompagnato da trasferimento di massa o variazione del volume del cristallo. Questo è un movimento conservativo o scorrevole. Per dislocazioni di bordo e miste per le quali il vettore di Burgers b non è parallelo alla linea di dislocazione dl, lo scorrimento avviene nel piano definito dai vettori b e dl: l'espressione (1.8) è uguale a zero se dz giace nello stesso piano della vettori b e dl. Ovviamente il piano di scorrimento di una dislocazione di bordo o mista è il piano in cui giacciono la dislocazione e il suo vettore di Burgers. Una dislocazione del bordo è estremamente mobile nel proprio piano di scorrimento. Il movimento di una dislocazione del bordo può essere rappresentato come un movimento sequenziale e graduale di atomi adiacenti lungo l'intera lunghezza della linea di dislocazione, accompagnato da una ridistribuzione dei legami tra questi atomi. Dopo ciascuno di questi eventi, la dislocazione si sposta di una distanza interatomica. In questo caso, lo stress che causa il movimento delle dislocazioni è significativamente inferiore allo stress di taglio del materiale. Come risultato di tale movimento, la dislocazione può raggiungere la superficie del cristallo e scomparire. Pertanto, le regioni del cristallo separate dal piano di scorrimento, dopo il rilascio della dislocazione, saranno spostate di una distanza interatomica (Fig. 8).

Ministero dell'Istruzione della Federazione Russa

Università tecnica statale di Orël

Dipartimento di Fisica

ASTRATTO

sull'argomento: "L'effetto Gunn e il suo utilizzo nei diodi funzionanti in modalità generatore".

Disciplina: “Fondamenti fisici della microelettronica”

Completato da uno studente del gruppo 3-4 Senatori D.G.

Supervisore:

Aquila. 2000

L'effetto Gunn e il suo utilizzo nei diodi funzionanti in modalità generatore.

Per amplificare e generare oscillazioni a microonde, è possibile utilizzare la dipendenza anomala della velocità degli elettroni dall'intensità del campo elettrico in alcuni composti semiconduttori, principalmente nell'arseniuro di gallio. In questo caso, il ruolo principale è svolto dai processi che si verificano nella maggior parte del semiconduttore e non all'interno P - N-transizione. Generazione di oscillazioni a microonde in campioni omogenei di GaAs N-tipo con un'intensità del campo elettrico costante al di sopra di un valore di soglia fu osservato per la prima volta da J. Gunn nel 1963 (pertanto, tali dispositivi sono chiamati diodi Gunn). Nella letteratura russa vengono anche chiamati dispositivi con instabilità volumetrica o con trasferimento di elettroni intervallato, poiché le proprietà attive dei diodi sono determinate dalla transizione degli elettroni dalla valle energetica “centrale” a quella “laterale”, dove sono caratterizzati da una grande massa effettiva e bassa mobilità. Nella letteratura straniera il cognome corrisponde al termine TED ( Dispositivo elettronico trasferito).

In un campo debole, la mobilità degli elettroni è elevata e ammonta a 6000–8500 cm 2 /(Vs). Quando l'intensità del campo è superiore a 3,5 kV/cm, a causa della transizione di alcuni elettroni verso la valle “laterale”, la velocità media di deriva degli elettroni diminuisce all'aumentare del campo. Il valore più alto del modulo di mobilità differenziale nella sezione di caduta è circa tre volte inferiore alla mobilità nei campi deboli. A intensità di campo superiori a 15–20 kV/cm, la velocità media degli elettroni è quasi indipendente dal campo ed è circa 10 7 cm/s, quindi il rapporto e la caratteristica del campo di velocità può essere approssimativamente approssimata come mostrato in Fig. 1. Il tempo per stabilire la conduttività differenziale negativa (NDC) è la somma del tempo di riscaldamento del gas di elettroni nella valle “centrale” (~10–12 s per GaAs), determinato dalla costante di tempo di rilassamento energetico e dal tempo di transizione intervallare ( ~5–10–14 s).

Ci si aspetterebbe che la presenza di una sezione discendente della caratteristica nella regione NDC con una distribuzione uniforme del campo elettrico lungo un campione di GaAs drogato uniformemente porterebbe alla comparsa di una sezione discendente nella caratteristica corrente-tensione del diodo, poiché il valore della corrente di convezione attraverso il diodo è definito come , dove ; -area della sezione trasversale; – lunghezza del campione tra i contatti. In questa sezione il diodo avrebbe una conduttività attiva negativa e potrebbe essere utilizzato per generare e amplificare oscillazioni simili ad un diodo tunnel. Tuttavia, in pratica, l'implementazione di tale regime in un campione di materiale semiconduttore con un NDC è difficile a causa dell'instabilità del campo e della carica spaziale. Come mostrato nel § 8.1, la fluttuazione della tariffa spaziale in questo caso porta ad un aumento della tariffa spaziale secondo la legge

dov'è la costante di rilassamento dielettrico; –concentrazione di elettroni nell’originale N-GaAs. In un campione omogeneo al quale viene applicata una tensione costante , un aumento locale della concentrazione di elettroni porta alla comparsa di uno strato carico negativamente (Fig. 2), che si muove lungo il campione dal catodo all'anodo.

Fig. 1. Dipendenza approssimativa della velocità di deriva degli elettroni dall'intensità del campo elettrico per GaAs.

Fig.2. Spiegare il processo di formazione di uno strato di accumulo in GaAs drogato uniformemente.

Per catodo intendiamo un contatto con il campione a cui viene applicato un potenziale negativo. I campi elettrici interni che si presentano in questo caso si sovrappongono a un campo costante, aumentando l'intensità del campo a destra dello strato e diminuendola a sinistra (Fig. 2, a). La velocità degli elettroni a destra dello strato diminuisce e a sinistra aumenta. Ciò porta ad un'ulteriore crescita dello strato di accumulo in movimento e ad una corrispondente ridistribuzione del campo nel campione (Fig. 2, b). Tipicamente, uno strato di carica spaziale si nuclea sul catodo, poiché vicino al contatto ohmico del catodo si trova una regione con una maggiore concentrazione di elettroni e una bassa intensità di campo elettrico. Le fluttuazioni che si verificano vicino al contatto dell'anodo dovute al movimento degli elettroni verso l'anodo non hanno il tempo di svilupparsi.

Tuttavia, una tale distribuzione del campo elettrico è instabile e, se nel campione si verificano disomogeneità sotto forma di salti di concentrazione, mobilità o temperatura, può trasformarsi nella cosiddetta dominio di campo forte. L'intensità del campo elettrico è correlata alla concentrazione di elettroni mediante l'equazione di Poisson, che nel caso unidimensionale ha la forma

(1)

Un aumento del campo elettrico in una parte del campione sarà accompagnato dalla comparsa ai confini di quest'area di una carica spaziale, negativa sul lato catodico e positiva sul lato anodico (Fig. 3, a). In questo caso, la velocità degli elettroni all'interno della regione diminuisce secondo la Fig. 1. Gli elettroni dal lato del catodo raggiungeranno gli elettroni all'interno di quest'area, a causa della quale la carica negativa aumenta e si forma uno strato ricco di elettroni. Gli elettroni dal lato dell'anodo si sposteranno in avanti, a causa del quale la carica positiva aumenta e si forma uno strato impoverito in cui. Ciò porta ad un ulteriore aumento del campo nella regione di fluttuazione man mano che la carica si sposta verso l'anodo e ad un aumento dell'estensione della regione di dipolo della carica spaziale. Se la tensione applicata al diodo viene mantenuta costante, man mano che il dominio del dipolo cresce, il campo al di fuori di esso diminuirà (Fig. 3, b). L'aumento del campo nel dominio si fermerà quando la sua velocità diventerà uguale alla velocità degli elettroni all'esterno del dominio. E' ovvio . L'intensità del campo elettrico all'esterno del dominio (Fig. 3, c) sarà inferiore all'intensità di soglia, il che rende impossibile la transizione intervallata degli elettroni all'esterno del dominio e la formazione di un altro dominio fino alla scomparsa di quello precedentemente formato nel dominio anodo. Dopo la formazione di un dominio stabile ad alto campo, la corrente attraverso il diodo rimane costante durante il suo movimento dal catodo all'anodo.

Fig.3. Spiegare il processo di formazione di un dominio dipolare.

Dopo che il dominio scompare all'anodo, l'intensità del campo nel campione aumenta e quando raggiunge il valore inizia la formazione di un nuovo dominio. In questo caso la corrente raggiunge un valore massimo pari a (Fig. 4, c)

(2)

Questa modalità di funzionamento di un diodo Gunn viene chiamata modalità aereo. Nella modalità di transito, la corrente attraverso il diodo è costituita da impulsi seguiti da un periodo . Il diodo genera oscillazioni a microonde con una frequenza di volo , determinato principalmente dalla lunghezza del campione e debolmente dipendente dal carico (sono state proprio queste oscillazioni che Gunn ha osservato studiando campioni di GaAs e InP).

I processi elettronici in un diodo Gunn dovrebbero essere considerati tenendo conto delle equazioni di Poisson, della continuità e della densità di corrente totale, che per il caso unidimensionale hanno la seguente forma:

; (3)

. (4)

Fig.4. Circuito equivalente di un generatore di diodi Gunn (a) e dipendenze temporali della tensione (b) e della corrente attraverso il diodo Gunn in modalità di transito (c) e in modalità con ritardo (d) e smorzamento del dominio (e).

Tensione istantanea ai capi del diodo. La corrente totale non dipende dalle coordinate ed è una funzione del tempo. Il coefficiente di diffusione è spesso considerato indipendente dal campo elettrico.

A seconda dei parametri del diodo (il grado e il profilo di drogaggio del materiale, la lunghezza e l'area della sezione trasversale del campione e la sua temperatura), nonché la tensione di alimentazione e le proprietà del carico, il diodo Gunn, come generatore e amplificatore di microonde, può funzionare in varie modalità: dominio, limitazione dell'accumulo di carica spaziale (ONZ, nella letteratura straniera LSA – Limited Space Charge Accumulation), ibrido, onde viaggianti di carica spaziale, conduttività negativa.

Modalità operative del dominio.

Le modalità di funzionamento del dominio di un diodo Gunn sono caratterizzate dalla presenza di un dominio di dipolo formato nel campione durante una parte significativa del periodo di oscillazione. Le caratteristiche di un dominio di dipolo stazionario sono discusse in dettaglio in [?], dove si mostra che da (1), (3) e (4) ne consegue che la velocità del dominio e la massima intensità di campo in esso sono correlate regola della parità di area

. (5)

Secondo (5), le aree ombreggiate in Fig. 5, a e delimitate da linee sono le stesse. Come si può vedere dalla figura, la massima intensità di campo nel dominio supera significativamente il campo esterno al dominio e può raggiungere decine di kV/cm.

Fig.5. Determinare i parametri del dominio del dipolo.

La Figura 5, b mostra la dipendenza della tensione del dominio sull'intensità del campo elettrico al di fuori di esso, dov'è la lunghezza del dominio (Fig. 3, c). Lì è stata costruita una "linea strumentale" di un diodo con una lunghezza ad una determinata tensione, tenendo conto del fatto che la tensione totale ai capi del diodo è . Punto di intersezione UN determina la tensione del dominio e l'intensità del campo al di fuori di esso. Va tenuto presente che il dominio avviene a tensione costante , tuttavia, può esistere anche quando, durante il movimento del dominio verso l'anodo, la tensione sul diodo diminuisce al valore (linea tratteggiata in Fig. 5, b). Se la tensione sul diodo viene ulteriormente ridotta fino a diventare inferiore alla tensione di estinzione del dominio, il dominio risultante si risolverà. La tensione di smorzamento corrisponde al momento in cui la “retta dello strumento” tocca la linea di Fig. 5, b.

Pertanto, la tensione di scomparsa del dominio risulta essere inferiore alla tensione di soglia della formazione del dominio. Come si può vedere dalla Fig. 5, a causa della forte dipendenza dell'eccesso di tensione sul dominio dall'intensità del campo all'esterno del dominio, il campo all'esterno del dominio e la velocità del dominio cambiano poco quando cambia la tensione sul diodo. La tensione in eccesso viene assorbita principalmente nel dominio. Già alle la velocità di dominio è solo leggermente diversa dalla velocità di saturazione e può essere considerata approssimativamente, e quindi la frequenza di volo, come caratteristica di un diodo, è solitamente determinata dall'espressione:

(6)

La lunghezza del dominio dipende dalla concentrazione dell'impurità donatrice, nonché dalla tensione sul diodo ed è compresa tra 5 e 10 μm. Una diminuzione della concentrazione di impurità porta all'espansione del dominio a causa di un aumento dello strato di esaurimento. La formazione di un dominio avviene in un tempo finito ed è associata all'instaurazione di una conduttività differenziale negativa e ad un aumento della carica spaziale. La costante di tempo per l'aumento della carica spaziale nel modo di piccola perturbazione è uguale alla costante di rilassamento dielettrico ed è determinata dalla mobilità differenziale negativa e dalla concentrazione di elettroni. Al valore massimo, mentre il tempo di istituzione dell'ODP è inferiore. Pertanto, il tempo di formazione del dominio è determinato in larga misura dal processo di ridistribuzione della carica spaziale. Dipende dalla disomogeneità del campo iniziale, dal livello di drogaggio e dalla tensione applicata.

Fig6. Diodo Gunn.

Si ritiene approssimativamente che il Dominio avrà il tempo di formarsi completamente nei seguenti tempi:

dove è espresso in . Ha senso parlare di modi di dominio solo se il dominio ha il tempo di formarsi durante il volo degli elettroni nel campione. Quindi, la condizione per l'esistenza di un dominio dipolare è una delle due .

Viene chiamato il prodotto della concentrazione di elettroni per la lunghezza del campione critico e denotare . Questo valore è il confine tra le modalità del dominio del diodo Gunn e le modalità con una distribuzione del campo elettrico stabile in un campione drogato uniformemente. Quando non si forma un dominio di campo forte, viene chiamato il campione stabile. Sono possibili varie modalità di dominio. Il criterio di tipologia è valido, in senso stretto, solo per strutture in cui la lunghezza dello strato attivo tra catodo e anodo è molto inferiore alle dimensioni trasversali: (Fig. 6, a), il che corrisponde a un problema unidimensionale ed è tipico delle strutture planari e mesa. Le strutture a film sottile (Fig. 6, b) hanno uno strato attivo epitassiale di GaAs 1 la lunghezza può essere posizionata tra un substrato ad alta resistenza 3 e film dielettrico isolante 2 fatto, ad esempio, da SiO 2. I contatti ohmici dell'anodo e del catodo sono prodotti utilizzando metodi di fotolitografia. La dimensione trasversale di un diodo può essere paragonabile alla sua lunghezza. In questo caso, le cariche spaziali formatesi durante la formazione del dominio creano campi elettrici interni che hanno non solo una componente longitudinale, ma anche una componente trasversale (Fig. 6, c). Ciò porta ad una diminuzione del campo rispetto ad un problema unidimensionale. Quando lo spessore del film attivo è piccolo, quando , il criterio di assenza di instabilità del dominio è sostituito dalla condizione . Per tali strutture, con una distribuzione stabile del campo elettrico, può essere maggiore.

Il tempo di formazione del dominio non deve superare la metà del ciclo di oscillazioni delle microonde. Esiste quindi una seconda condizione per l'esistenza di un dominio mobile, dalla quale, tenendo conto della (1), si ottiene .

A seconda del rapporto tra il tempo di volo e il periodo delle oscillazioni delle microonde, nonché dei valori della tensione costante e dell'ampiezza della tensione ad alta frequenza, si possono realizzare le seguenti modalità di dominio: volo di- volo, modalità con ritardo del dominio, modalità con soppressione (quenching) del dominio. Consideriamo i processi che si verificano in queste modalità per il caso di un diodo Gunn che opera su un carico sotto forma di un circuito oscillante parallelo con resistenza attiva alla frequenza di risonanza e il diodo è alimentato da un generatore di tensione con bassa resistenza interna (vedi Figura 4a). In questo caso la tensione sul diodo cambia secondo una legge sinusoidale. La generazione è possibile in .

A bassa resistenza al carico, quando, dove – la resistenza del diodo Gunn in campi deboli, l'ampiezza della tensione ad alta frequenza è piccola e la tensione istantanea sul diodo supera il valore di soglia (vedi Fig. 4b, curva 1). Qui avviene la modalità di transito precedentemente considerata, quando dopo la formazione del dominio, la corrente attraverso il diodo rimane costante e uguale (vedi Fig. 9.39, c). Quando il dominio scompare, la corrente aumenta a . Per GaAs. La frequenza delle oscillazioni in modalità volo è pari a . Poiché il rapporto è piccolo, l'efficienza Il numero di generatori a diodi Gunn che funzionano in modalità di transito è piccolo e questa modalità di solito non ha applicazione pratica.

Quando il diodo funziona su un circuito ad alta resistenza, quando , l'ampiezza della tensione alternata può essere piuttosto grande, tanto che durante una parte del periodo la tensione istantanea sul diodo diventa inferiore alla soglia (corrisponde alla curva 2 in Fig. 4b). In questo caso ne parlano modalità con un ritardo nella formazione del dominio. Un dominio si forma quando la tensione sul diodo supera la soglia, cioè in un momento (vedi Fig. 4, d). Dopo la formazione del dominio, la corrente del diodo diminuisce e rimane tale durante il tempo di volo del dominio. Quando in un dato momento il dominio sull'anodo scompare, la tensione sul diodo è inferiore alla soglia e il diodo rappresenta una resistenza attiva. La variazione di corrente è proporzionale alla tensione ai capi del diodo fino al momento in cui la corrente raggiunge il suo valore massimo e la tensione ai capi del diodo è pari alla soglia. Inizia la formazione di un nuovo dominio e l'intero processo si ripete. La durata dell'impulso corrente è pari al tempo di ritardo della formazione di un nuovo dominio. Il tempo di formazione del dominio è considerato piccolo rispetto a e . Ovviamente tale modalità è possibile se il tempo di volo rientra nei limiti e la frequenza delle oscillazioni generate lo è .

Con un'ampiezza ancora maggiore della tensione ad alta frequenza corrispondente alla curva 3 in Fig. 4b, la tensione minima sul diodo può essere inferiore alla tensione di spegnimento del diodo. modalità con soppressione del dominio(vedi Fig. 4, d). Un dominio si forma in un determinato momento e si dissolve in un momento in cui un nuovo dominio inizia a formarsi dopo che la tensione supera un valore di soglia. Poiché la scomparsa di un dominio non è associata al suo raggiungimento all'anodo, il tempo di volo degli elettroni tra catodo e anodo nella modalità quenching del dominio può superare il periodo di oscillazione: . Quindi, nella modalità di smorzamento. Il limite superiore delle frequenze generate è limitato dalla condizione e può essere .

Efficienza elettronica i generatori basati su diodi Gunn che operano in modalità di dominio possono essere determinati espandendo la funzione di corrente in una serie di Fourier (vedere Fig. 4) per trovare l'ampiezza della prima armonica e la componente di corrente continua. Valore di efficienza dipende dalle relazioni , , , e al valore ottimale non supera il 6% per i diodi GaAs nella modalità di ritardo del dominio. Efficienza elettronica nella modalità di estinzione del dominio è inferiore rispetto alla modalità di ritardo del dominio.

Modalità ONOZ.

Un po' più tardi, furono proposte e implementate le modalità di dominio per i diodi Gunn modalità di limitazione dell’accumulo di carica spaziale. Esiste a tensioni costanti sul diodo, molte volte superiori al valore di soglia, e grandi ampiezze di tensione a frequenze molte volte superiori alla frequenza di volo. Per implementare la modalità ONOS sono necessari diodi con un profilo di drogaggio molto uniforme. La distribuzione uniforme del campo elettrico e della concentrazione di elettroni lungo la lunghezza del campione è assicurata dall'elevata velocità di variazione della tensione attraverso il diodo. Se il periodo di tempo durante il quale l'intensità del campo elettrico passa attraverso la regione della caratteristica NDC è molto inferiore al tempo di formazione del dominio, non vi è alcuna ridistribuzione evidente del campo e della carica spaziale lungo la lunghezza del diodo. La velocità degli elettroni attraverso il campione “segue” il cambiamento nel campo elettrico e la corrente attraverso il diodo è determinata dalla dipendenza della velocità dal campo (Fig. 7).

Pertanto, nella modalità ONOS, la conduttività negativa del diodo viene utilizzata per convertire l'energia della fonte di alimentazione nell'energia delle oscillazioni delle microonde. In questa modalità, durante parte del periodo di oscillazione, la tensione sul diodo rimane inferiore alla soglia e il campione si trova in uno stato caratterizzato da mobilità elettronica positiva, cioè carica spaziale, che è riuscita a formarsi durante il tempo in cui la corrente elettrica il campo nel diodo era al di sopra della soglia, si dissolve.

Scriveremo approssimativamente la condizione per un debole aumento della carica nel tempo nel modulo , Dove ; è il valore medio della mobilità differenziale negativa degli elettroni nella regione. Il riassorbimento della carica spaziale nel tempo sarà efficace se e dove ; e – costante di tempo di rilassamento dielettrico e mobilità degli elettroni in un campo debole.

Conteggio , , abbiamo . Questa disuguaglianza determina l'intervallo di valori entro il quale viene implementata la modalità ONZ.

L'efficienza elettronica di un generatore a diodi Gunn in modalità ONOS può essere calcolata dalla forma della corrente (Fig. 7). A L'efficienza massima è del 17%.

Fig.7. Dipendenza temporale della corrente sul diodo Gunn nella modalità ONOS.

Nelle modalità di dominio, la frequenza delle oscillazioni generate è approssimativamente uguale alla frequenza di volo. Pertanto, la lunghezza dei diodi Gunn che funzionano in modalità dominio è correlata alla gamma di frequenza operativa mediante l'espressione

dove è espresso in GHz e – in micron. Nella modalità ONOS, la lunghezza del diodo non dipende dalla frequenza operativa e può essere molte volte maggiore della lunghezza dei diodi che funzionano alle stesse frequenze nelle modalità di dominio. Ciò consente di aumentare significativamente la potenza dei generatori in modalità ONO rispetto ai generatori che funzionano in modalità dominio.

I processi considerati in un diodo Gunn in modalità dominio sono essenzialmente idealizzati, poiché sono realizzati a frequenze relativamente basse (1–3 GHz), dove il periodo di oscillazione è significativamente inferiore al tempo di formazione del dominio e la lunghezza del diodo è molto maggiore di la lunghezza del dominio a livelli di drogaggio convenzionali . Molto spesso, i diodi Gunn a onda continua vengono utilizzati a frequenze più elevate nelle cosiddette modalità ibride. Modalità ibride Il funzionamento dei diodi Gunn è intermedio tra le modalità ONOS e dominio. È tipico dei modi ibridi che la formazione di un dominio occupi la maggior parte del periodo di oscillazione. Un dominio formato in modo incompleto si risolve quando la tensione istantanea ai capi del diodo diminuisce a valori inferiori alla soglia. L’intensità del campo elettrico al di fuori della regione di crescente carica spaziale rimane generalmente maggiore della soglia. I processi che si verificano nel diodo in modalità ibrida vengono analizzati utilizzando un computer utilizzando le equazioni (1), (3) e (4). Le modalità ibride occupano un'ampia gamma di valori e non sono così sensibili ai parametri del circuito come la modalità ONOZ.

La modalità ONOS e le modalità operative ibride del diodo Gunn sono classificate come modalità di autoeccitazione “hard”, caratterizzate dalla dipendenza della conduttività elettronica negativa dall'ampiezza della tensione ad alta frequenza. Mettere il generatore in modalità ibrida (così come in modalità ONOZ) è un compito complesso e viene solitamente eseguito effettuando la transizione sequenziale del diodo dalla modalità di transito alla modalità ibrida.

Fig.8. Efficienza elettronica dei generatori a diodi Gunn GaAs per varie modalità operative:

1–con ritardo nella formazione del dominio

2–con soppressione del dominio

Fig.9. Dipendenza dal tempo della tensione (a) e della corrente (b) di un diodo Gunn in modalità ad alta efficienza.

3-ibrido

Disegni e parametri di generatori basati su diodi Gunn.

La Figura 8 mostra i valori della massima efficienza elettronica. Diodo GaAs Gunn in varie modalità operative. Si può notare che i valori non superano il 20%. Aumentare l'efficienza i generatori basati su diodi Gunn sono possibili attraverso l'uso di sistemi oscillatori più complessi, che consentono di fornire le dipendenze temporali della corrente e della tensione sul diodo, mostrate in Fig. 9. Espansione delle funzioni e nella serie di Fourier a e fornisce valori di efficienza elettronica per i diodi Gunn GaAs del 25%. Una buona approssimazione della curva ottimale si ottiene utilizzando la seconda armonica di tensione. Un altro modo per aumentare l'efficienza consiste nell'utilizzare materiali con un rapporto elevato nei diodi Gunn. Pertanto, per il fosfuro di indio raggiunge 3,5, il che aumenta l'efficienza elettronica teorica dei diodi al 40%.

Va tenuta presente l'efficienza elettronica nei generatori basati su diodi Gunn diminuisce alle alte frequenze, quando il periodo di oscillazione diventa commisurato al tempo di insediamento dell'NDC (questo si manifesta già a frequenze di ~30 GHz). L'inerzia dei processi che determinano la dipendenza della velocità media di deriva degli elettroni sul campo porta ad una diminuzione della componente antifase della corrente del diodo. Le frequenze limite dei diodi Gunn associati a questo fenomeno sono stimate a ~100 GHz per i dispositivi GaAs e a 150–300 GHz per i dispositivi InP.

La potenza di uscita dei diodi Gunn è limitata da processi elettrici e termici. L'influenza di quest'ultimo porta alla dipendenza della potenza massima dalla frequenza nella forma , dove la costante è determinata dal surriscaldamento ammissibile della struttura, dalle caratteristiche termiche del materiale e dall'efficienza elettronica. e capacità del diodo. Le limitazioni sulla modalità elettrica sono dovute al fatto che ad elevata potenza di uscita l'ampiezza delle oscillazioni risulta essere commisurata alla tensione costante sul diodo: .

Nelle modalità di dominio quindi in conformità con abbiamo:

dove è la resistenza di carico equivalente, ricalcolata ai terminali del diodo e pari al modulo della resistenza negativa attiva dell'LPD.

L'intensità massima del campo elettrico nel dominio supera significativamente il valore medio del campo nel diodo, allo stesso tempo dovrebbe essere inferiore all'intensità di rottura alla quale si verifica la rottura a valanga del materiale (per GaAs ). Di solito si considera il valore ammissibile del campo elettrico .

Come con gli LPD, a frequenze relativamente basse (nell'intervallo di lunghezze d'onda centimetriche), la potenza di uscita massima dei diodi Gunn è determinata dagli effetti termici. Nell'intervallo millimetrico, lo spessore della regione attiva dei diodi che operano in modalità di dominio diventa piccolo e prevalgono le limitazioni elettriche. In modalità continua nell'intervallo di tre centimetri, è possibile ottenere una potenza di 1-2 W da un diodo con un'efficienza fino al 14%; alle frequenze 60–100 GHz – fino a 100 WW con un'efficienza di pochi punti percentuali. I generatori a diodi Gunn sono caratterizzati da un rumore di frequenza significativamente più basso rispetto ai generatori LPD.

La modalità ONOZ è caratterizzata da una distribuzione molto più uniforme del campo elettrico. Inoltre, la lunghezza del diodo che funziona in questa modalità può essere significativa. Pertanto, l'ampiezza della tensione delle microonde sul diodo in modalità ONOS può essere di 1–2 ordini di grandezza superiore alla tensione nelle modalità di dominio. Pertanto, la potenza di uscita dei diodi Gunn nella modalità ONOS può essere aumentata di diversi ordini di grandezza rispetto alle modalità dominio. Per la modalità ONOZ vengono in primo piano i limiti termici. I diodi Gunn in modalità ONOS funzionano molto spesso in modalità pulsata con un ciclo di lavoro elevato e generano potenza fino a diversi kilowatt nell'intervallo di lunghezze d'onda centimetriche.

La frequenza dei generatori basati sui diodi Gunn è determinata principalmente dalla frequenza di risonanza del sistema oscillatorio, tenendo conto della conduttività capacitiva del diodo e può essere sintonizzata entro un ampio intervallo mediante metodi meccanici ed elettrici.

In un generatore di guide d'onda(Fig. 10, a) Diodo Gunn 1 installato tra le ampie pareti di una guida d'onda rettangolare all'estremità di un'asta metallica. La tensione di polarizzazione viene fornita attraverso l'ingresso dell'induttore 2 , che è realizzato sotto forma di sezioni di linee coassiali a quarto d'onda e serve a impedire la penetrazione delle oscillazioni delle microonde nel circuito della fonte di alimentazione. Il risonatore a basso Q è formato dagli elementi di montaggio del diodo nella guida d'onda. La frequenza del generatore viene sintonizzata utilizzando un diodo varactor 3 , situato a mezza lunghezza d'onda e installato nella guida d'onda simile a un diodo Gunn. Spesso i diodi sono inclusi in una guida d'onda di altezza ridotta, la quale è collegata ad una guida d'onda di uscita a sezione standard tramite un trasformatore a quarto d'onda.

Figura 10. Progettazione di generatori basati su diodi Gunn:

a-guida d'onda; b-microstriscia; c–con sintonizzazione della frequenza tramite sfera YIG

Nel design a microstriscia(Fig. 10, b) diodo 1 collegato tra la base e il conduttore a striscia. Per stabilizzare la frequenza viene utilizzato un risonatore dielettrico di alta qualità 4 sotto forma di un disco costituito da un dielettrico con basse perdite e alto valore (ad esempio titanato di bario), situato vicino a un conduttore a striscia MPL di larghezza . Condensatore 5 serve a separare i circuiti di alimentazione e il percorso delle microonde. La tensione di alimentazione viene fornita attraverso il circuito dell'induttore 2 , costituito da due segmenti a quarto d'onda dell'MPL con diverse impedenze d'onda, e la linea con bassa resistenza è aperta. L'uso di risonatori dielettrici con un coefficiente di temperatura e frequenza positivo consente di creare oscillatori con piccoli spostamenti di frequenza al variare della temperatura (~40 kHz/°C).

Generatori sintonizzabili di frequenza I diodi Gunn possono essere costruiti utilizzando cristalli singoli di granato di ferro e ittrio (Fig. 10, c). La frequenza del generatore in questo caso cambia a causa della regolazione della frequenza di risonanza di un risonatore di alta qualità, che ha la forma di una sfera YIG di piccolo diametro, quando cambia il campo magnetico. La massima sintonizzazione si ottiene nei diodi non imballati che hanno parametri reattivi minimi. Il circuito del diodo ad alta frequenza è costituito da una breve spira che racchiude la sfera YIG 6 . La connessione del circuito del diodo con il circuito di carico viene effettuata grazie alla mutua induttanza fornita dalla sfera YIG e dalle spire di accoppiamento posizionate ortogonalmente. La gamma di sintonizzazione elettrica di tali generatori, ampiamente utilizzati nei dispositivi di misurazione automatici, raggiunge un'ottava con una potenza di uscita di 10–20 mW.

Figura 11. Circuito equivalente generalizzato di un diodo Gunn.

Amplificatori basati su diodi Gunn.

Lo sviluppo di amplificatori basati su diodi Gunn è di grande interesse, soprattutto per la gamma di lunghezze d'onda millimetriche, dove l'uso dei transistor a microonde è limitato. Un compito importante quando si creano amplificatori basati su diodi Gunn è garantire la stabilità del loro funzionamento (stabilizzazione del diodo) e, soprattutto, sopprimere le oscillazioni di tipo dominio di piccolo segnale. Ciò può essere ottenuto limitando il parametro del diodo, caricando il diodo con un circuito esterno, scegliendo un profilo di drogaggio del diodo, riducendo la sezione trasversale o applicando una pellicola dielettrica al campione. Come amplificatori vengono utilizzati sia diodi planari che mesastrutturali, che hanno conduttività negativa a tensioni superiori alla soglia in un ampio intervallo di frequenze vicino alla frequenza di volo e sono utilizzati come amplificatori riflettenti rigenerativi con un circolatore all'ingresso, nonché strutture a film più complesse che utilizzano il fenomeno della crescita delle onde di carica spaziale in un materiale con NDP, spesso chiamato amplificatori di onde viaggianti a film sottile(UBV).

Nei diodi drogati subcriticamente a la formazione di un dominio mobile è impossibile anche a tensioni superiori alla soglia. Come mostrano i calcoli, i diodi subcritici sono caratterizzati da una resistenza equivalente negativa a frequenze vicine alla frequenza di volo, a tensioni che superano la soglia. Possono essere utilizzati negli amplificatori riflettenti. Tuttavia, a causa della gamma dinamica e del guadagno bassi, sono di uso limitato.

La conduttività negativa stabile su un'ampia gamma di frequenze, che raggiunge il 40%, è realizzata nei diodi con con diodi di lunghezza ridotta (~8–15 µm) e tensioni . A tensioni inferiori si osserva generazione, la cui rottura all'aumentare della tensione può essere spiegata da una diminuzione dell'NDC del materiale all'aumentare della temperatura del dispositivo.

Una distribuzione uniforme del campo elettrico lungo la lunghezza del diodo e un'amplificazione stabile su un'ampia banda di frequenza possono essere ottenute a causa del drogaggio non uniforme del campione (Fig. 12, a). Se vicino al catodo è presente uno stretto strato leggermente drogato lungo circa 1 μm, ciò limita l'iniezione di elettroni dal catodo e porta ad un forte aumento del campo elettrico. Aumentando la concentrazione di impurità lungo la lunghezza del campione verso l'anodo nell'intervallo da a è possibile ottenere l'uniformità del campo elettrico. I processi nei diodi con questo profilo vengono solitamente calcolati su un computer.

Figura 12. Profilo di drogaggio (a) e distribuzione del campo (b) in un diodo Gunn con una regione catodica ad alta resistenza.

I tipi di amplificatori considerati sono caratterizzati da un'ampia gamma dinamica, un'efficienza del 2–3% e una figura di rumore di ~10 dB nella gamma di lunghezze d'onda centimetriche.

È in corso lo sviluppo di amplificatori di onde viaggianti a film sottile (Fig. 13), che forniscono un'amplificazione unidirezionale su un'ampia banda di frequenza e non richiedono l'uso di circolatori di disaccoppiamento. L'amplificatore è uno strato epitassiale di GaAs 2 spesso (2–15 µm), cresciuto su un substrato ad alta resistività 1 . I contatti ohmici del catodo e dell'anodo si trovano a una distanza l'uno dall'altro e garantiscono la deriva degli elettroni lungo la pellicola quando viene applicata loro una tensione costante. Due contatti 3 sotto forma di barriera Schottky con una larghezza di 1–5 μm, vengono utilizzati per l'ingresso e l'uscita di un segnale a microonde dal dispositivo. Il segnale di ingresso fornito tra il catodo e il primo contatto Schottky eccita un'onda di carica spaziale nel flusso di elettroni, che cambia in ampiezza mentre si muove verso l'anodo con velocità di fase.

Figura 13. Schema di un amplificatore di onde viaggianti a film sottile di GaAs con deriva longitudinale

Affinché l'amplificatore funzioni, è necessario garantire l'uniformità della pellicola e l'uniformità del campo elettrico lungo la lunghezza del dispositivo. La tensione di polarizzazione BW si trova nella regione NDC del GaAs, cioè a . In questo caso, l'onda di carica spaziale cresce mentre si muove lungo la pellicola. Una distribuzione stabile e uniforme del campo elettrico si ottiene in UWV utilizzando film di piccolo spessore e rivestendo il film di GaAs con un dielettrico di grande valore.

Applicazione delle equazioni di base del movimento degli elettroni per il caso unidimensionale (1), (3), (4) e la modalità a piccolo segnale, quando le componenti costanti della corrente di convezione, dell'intensità del campo elettrico e della densità di carica sono molto maggiori di l'ampiezza delle componenti variabili (), porta all'equazione di dispersione per la propagazione costante, che ha una soluzione sotto forma di due onde.

Una di queste è un'onda diretta che si propaga lungo il film dal catodo all'anodo con velocità di fase, ed ha un'ampiezza che varia secondo la legge:

dove è il tempo di movimento degli elettroni dall'ingresso del dispositivo. Quando si lavora nella regione ODP, aumenta anche l'onda diretta. La seconda onda è inversa, si propaga dall'anodo al catodo e si attenua in ampiezza come . Il coefficiente di diffusione per GaAs è , quindi l'onda inversa decade rapidamente. Da (9) il guadagno del dispositivo è (dB)

(10)

Stima di (10) a E fornisce un guadagno dell'ordine di 0,3–3 dB/μm. Va tenuto presente che l'espressione (10) è essenzialmente qualitativa. L'uso diretto di esso per calcolare le onde crescenti di una carica spaziale può portare a errori dovuti alla forte influenza delle condizioni al contorno per piccoli spessori del film, poiché il problema deve essere considerato bidimensionale. È necessario tenere conto anche della diffusione degli elettroni, limitando la gamma di frequenze su cui è possibile l'amplificazione. I calcoli confermano la possibilità di ottenere un guadagno di ~0,5–1 dB/μm nell’UWV a frequenze di 10 GHz o più. Tali dispositivi possono essere utilizzati anche come sfasatori controllati e linee di ritardo a microonde.

[L]. Berezin et al. Dispositivi elettronici a microonde. – M. Scuola Superiore 1985.

Ministero dell'Istruzione della Federazione Russa

Università tecnica statale di Orël

Dipartimento di Fisica ABSTRACT

sull'argomento: "L'effetto Gunn e il suo utilizzo nei diodi funzionanti in modalità generatore".

Disciplina: “Fondamenti fisici della microelettronica”

Completato da uno studente dei gruppi 3–4
Senatorov D.G.

Supervisore:

Aquila. 2000

L'effetto Gunn e il suo utilizzo nei diodi funzionanti in modalità generatore.

Per amplificare e generare oscillazioni a microonde, è possibile utilizzare la dipendenza anomala della velocità degli elettroni dall'intensità del campo elettrico in alcuni composti semiconduttori, principalmente nell'arseniuro di gallio. In questo caso, il ruolo principale è svolto dai processi che si verificano nella maggior parte del semiconduttore e non nella giunzione p-n. La generazione di oscillazioni a microonde in campioni omogenei di GaAs di tipo n con un'intensità di campo elettrico costante al di sopra di un valore di soglia fu osservata per la prima volta da J. Gunn nel 1963 (pertanto, tali dispositivi sono chiamati diodi Gunn). Nella letteratura nazionale sono anche chiamati dispositivi con instabilità volumetrica o con trasferimento di elettroni intervallato, poiché le proprietà attive dei diodi sono determinate dalla transizione degli elettroni dalla valle energetica “centrale” a quella “laterale”, dove sono caratterizzati da una grande massa effettiva e una bassa mobilità. Nella letteratura straniera quest'ultimo nome corrisponde al termine TED (Transferred Electron Device).

dov'è la costante di rilassamento dielettrico; –concentrazione di elettroni nell'n-GaAs originale. In un campione omogeneo al quale viene applicata una tensione costante , un aumento locale della concentrazione di elettroni porta alla comparsa di uno strato carico negativamente (Fig. 2), che si muove lungo il campione dal catodo all'anodo.

Fig. 1. Dipendenza approssimativa della velocità di deriva degli elettroni dall'intensità del campo elettrico per GaAs.

Fig.2. Spiegare il processo di formazione di uno strato di accumulo in GaAs drogato uniformemente.

Tuttavia, una tale distribuzione del campo elettrico è instabile e, se nel campione si verificano disomogeneità sotto forma di salti di concentrazione, mobilità o temperatura, può trasformarsi in un cosiddetto dominio di campo forte. L'intensità del campo elettrico è correlata alla concentrazione di elettroni mediante l'equazione di Poisson, che nel caso unidimensionale ha la forma

(1)

Fig.3. Spiegare il processo di formazione di un dominio dipolare.

(2)

Questa modalità di funzionamento di un diodo Gunn è chiamata modalità di transito. Nella modalità di transito, la corrente attraverso il diodo è costituita da impulsi seguiti da un periodo . Il diodo genera oscillazioni a microonde con una frequenza di volo , determinato principalmente dalla lunghezza del campione e debolmente dipendente dal carico (sono state proprio queste oscillazioni che Gunn ha osservato studiando campioni di GaAs e InP).

; (3)

. (4)

Modalità operative del dominio.

. (5)

Fig.5. Determinare i parametri del dominio del dipolo.

La Figura 5, b mostra la dipendenza della tensione del dominio sull'intensità del campo elettrico al di fuori di esso, dov'è la lunghezza del dominio (Fig. 3, c). Lì è stata costruita una "linea strumentale" di un diodo con una lunghezza ad una determinata tensione, tenendo conto del fatto che la tensione totale ai capi del diodo è . Il punto di intersezione A determina la tensione del dominio e l'intensità del campo al suo esterno. Va tenuto presente che il dominio avviene a tensione costante , tuttavia, può esistere anche quando, durante il movimento del dominio verso l'anodo, la tensione sul diodo diminuisce al valore (linea tratteggiata in Fig. 5, b). Se la tensione sul diodo viene ulteriormente ridotta fino a diventare inferiore alla tensione di estinzione del dominio, il dominio risultante si risolverà. La tensione di smorzamento corrisponde al momento in cui la “retta dello strumento” tocca la linea di Fig. 5, b.

(6)

Fig6. Diodo Gunn.

Si ritiene approssimativamente che il Dominio avrà il tempo di formarsi completamente nei seguenti tempi:

Il valore del prodotto della concentrazione di elettroni per la lunghezza del campione è detto critico ed è indicato con . Questo valore è il confine tra le modalità del dominio del diodo Gunn e le modalità con una distribuzione del campo elettrico stabile in un campione drogato uniformemente. Quando non si forma un dominio di campo forte, il campione viene chiamato stabile. Sono possibili varie modalità di dominio. Il criterio di tipologia è valido, in senso stretto, solo per strutture in cui la lunghezza dello strato attivo tra catodo e anodo è molto inferiore alle dimensioni trasversali: (Fig. 6, a), il che corrisponde a un problema unidimensionale ed è tipico delle strutture planari e mesa. Per le strutture a film sottile (Fig. 6, b), uno strato epitassiale attivo di GaAs 1 può essere posizionato tra un substrato ad alta resistività 3 e un film dielettrico isolante 2, costituito, ad esempio, da SiO 2. I contatti ohmici dell'anodo e del catodo sono prodotti utilizzando metodi di fotolitografia. La dimensione trasversale di un diodo può essere paragonabile alla sua lunghezza. In questo caso, le cariche spaziali formatesi durante la formazione del dominio creano campi elettrici interni che hanno non solo una componente longitudinale, ma anche una componente trasversale (Fig. 6, c). Ciò porta ad una diminuzione del campo rispetto ad un problema unidimensionale. Quando lo spessore del film attivo è piccolo, quando , il criterio di assenza di instabilità del dominio è sostituito dalla condizione . Per tali strutture, con una distribuzione stabile del campo elettrico, può essere maggiore.

Quando il diodo funziona su un circuito ad alta resistenza, quando , l'ampiezza della tensione alternata può essere piuttosto grande, tanto che durante una parte del periodo la tensione istantanea sul diodo diventa inferiore alla soglia (corrisponde alla curva 2 in Fig. 4b). In questo caso si parla di modalità con ritardo nella formazione del dominio. Un dominio si forma quando la tensione sul diodo supera la soglia, cioè in un momento (vedi Fig. 4, d). Dopo la formazione del dominio, la corrente del diodo diminuisce e rimane tale durante il tempo di volo del dominio. Quando in un dato momento il dominio sull'anodo scompare, la tensione sul diodo è inferiore alla soglia e il diodo rappresenta una resistenza attiva. La variazione di corrente è proporzionale alla tensione ai capi del diodo fino al momento in cui la corrente raggiunge il suo valore massimo e la tensione ai capi del diodo è pari alla soglia. Inizia la formazione di un nuovo dominio e l'intero processo si ripete. La durata dell'impulso corrente è pari al tempo di ritardo della formazione di un nuovo dominio. Il tempo di formazione del dominio è considerato piccolo rispetto a e . Ovviamente tale modalità è possibile se il tempo di volo rientra nei limiti e la frequenza delle oscillazioni generate lo è .

Con un'ampiezza ancora maggiore della tensione ad alta frequenza, corrispondente alla curva 3 in Fig. 4b, la tensione minima sul diodo può essere inferiore alla tensione di smorzamento del diodo. In questo caso, si verifica una modalità con smorzamento del dominio (vedere Fig. 4d). Un dominio si forma in un determinato momento e si dissolve in un momento in cui un nuovo dominio inizia a formarsi dopo che la tensione supera un valore di soglia. Poiché la scomparsa di un dominio non è associata al suo raggiungimento all'anodo, il tempo di volo degli elettroni tra catodo e anodo nella modalità quenching del dominio può superare il periodo di oscillazione: . Quindi, nella modalità di smorzamento. Il limite superiore delle frequenze generate è limitato dalla condizione e può essere .

Modalità ONOZ.

Un po' più tardi rispetto ai modi di dominio, per i diodi Gunn è stata proposta e implementata una modalità per limitare l'accumulo di carica spaziale. Esiste a tensioni costanti sul diodo, molte volte superiori al valore di soglia, e grandi ampiezze di tensione a frequenze molte volte superiori alla frequenza di volo. Per implementare la modalità ONOS sono necessari diodi con un profilo di drogaggio molto uniforme. La distribuzione uniforme del campo elettrico e della concentrazione di elettroni lungo la lunghezza del campione è assicurata dall'elevata velocità di variazione della tensione attraverso il diodo. Se il periodo di tempo durante il quale l'intensità del campo elettrico passa attraverso la regione della caratteristica NDC è molto inferiore al tempo di formazione del dominio, non vi è alcuna ridistribuzione evidente del campo e della carica spaziale lungo la lunghezza del diodo. La velocità degli elettroni attraverso il campione “segue” il cambiamento nel campo elettrico e la corrente attraverso il diodo è determinata dalla dipendenza della velocità dal campo (Fig. 7).

Conteggio , , abbiamo . Questa disuguaglianza determina l'intervallo di valori entro il quale viene implementata la modalità ONZ.

L'efficienza elettronica di un generatore a diodi Gunn in modalità ONOS può essere calcolata dalla forma della corrente (Fig. 7). A L'efficienza massima è del 17%.

Fig.7. Dipendenza temporale della corrente sul diodo Gunn nella modalità ONOS.

I processi considerati in un diodo Gunn in modalità dominio sono essenzialmente idealizzati, poiché sono realizzati a frequenze relativamente basse (1–3 GHz), dove il periodo di oscillazione è significativamente inferiore al tempo di formazione del dominio e la lunghezza del diodo è molto maggiore di la lunghezza del dominio a livelli di drogaggio convenzionali . Molto spesso, i diodi Gunn a onda continua vengono utilizzati a frequenze più elevate nelle cosiddette modalità ibride. Le modalità operative ibride dei diodi Gunn sono intermedie tra le modalità ONOS e dominio. È tipico dei modi ibridi che la formazione di un dominio occupi la maggior parte del periodo di oscillazione. Un dominio formato in modo incompleto si risolve quando la tensione istantanea ai capi del diodo diminuisce a valori inferiori alla soglia. L’intensità del campo elettrico al di fuori della regione di crescente carica spaziale rimane generalmente maggiore della soglia. I processi che si verificano nel diodo in modalità ibrida vengono analizzati utilizzando un computer utilizzando le equazioni (1), (3) e (4). Le modalità ibride occupano un'ampia gamma di valori e non sono così sensibili ai parametri del circuito come la modalità ONOZ.

Fig.8. Efficienza elettronica dei generatori a diodi Gunn GaAs per varie modalità operative:

1–con ritardo nella formazione del dominio

2–con soppressione del dominio

Fig.9. Dipendenza dal tempo della tensione (a) e della corrente (b) di un diodo Gunn in modalità ad alta efficienza.

3-ibrido

Disegni e parametri di generatori basati su diodi Gunn.

Nelle modalità di dominio quindi in conformità con abbiamo:

dove è la resistenza di carico equivalente, ricalcolata ai terminali del diodo e pari al modulo della resistenza negativa attiva dell'LPD.

In un generatore di guide d'onda (Fig. 10, a), il diodo Gunn 1 è installato tra le ampie pareti di una guida d'onda rettangolare all'estremità di un'asta metallica. La tensione di polarizzazione viene fornita attraverso l'ingresso dell'induttanza 2, che è realizzato sotto forma di sezioni di linee coassiali a quarto d'onda e serve a impedire la penetrazione delle oscillazioni delle microonde nel circuito della fonte di alimentazione. Il risonatore a basso Q è formato dagli elementi di montaggio del diodo nella guida d'onda. La frequenza del generatore viene sintonizzata utilizzando un diodo varactor 3 situato a una distanza di semionda e installato nella guida d'onda in modo simile a un diodo Gunn. Spesso i diodi sono inclusi in una guida d'onda di altezza ridotta, la quale è collegata ad una guida d'onda di uscita a sezione standard tramite un trasformatore a quarto d'onda.

Figura 10. Progettazione di generatori basati su diodi Gunn:

a-guida d'onda; b-microstriscia; c–con sintonizzazione della frequenza tramite sfera YIG

Nella struttura a microstriscia (Fig. 10, b), il diodo 1 è collegato tra la base e il conduttore della striscia. Per stabilizzare la frequenza, viene utilizzato un risonatore dielettrico 4 di alta qualità sotto forma di un disco costituito da un dielettrico con basse perdite e un valore elevato (ad esempio titanato di bario), situato vicino a un conduttore a striscia MPL di larghezza . Il condensatore 5 serve a separare i circuiti di alimentazione e il percorso delle microonde. La tensione di alimentazione viene fornita attraverso il circuito induttore 2, costituito da due sezioni MPL a quarto d'onda con diverse impedenze d'onda, e la linea a bassa resistenza è aperta. L'uso di risonatori dielettrici con un coefficiente di temperatura e frequenza positivo consente di creare oscillatori con piccoli spostamenti di frequenza al variare della temperatura (~40 kHz/°C).

I generatori con frequenza sintonizzabile basati su diodi Gunn possono essere costruiti utilizzando cristalli singoli di granato di ferro e ittrio (Fig. 10, c). La frequenza del generatore in questo caso cambia a causa della regolazione della frequenza di risonanza di un risonatore di alta qualità, che ha la forma di una sfera YIG di piccolo diametro, quando cambia il campo magnetico. La massima sintonizzazione si ottiene nei diodi non imballati che hanno parametri reattivi minimi. Il circuito ad alta frequenza del diodo è costituito da una breve spira che racchiude la sfera YIG 6. La connessione del circuito del diodo con il circuito di carico viene effettuata grazie all'induttanza reciproca fornita dalla sfera YIG e dalle spire di accoppiamento posizionate ortogonalmente. La gamma di sintonizzazione elettrica di tali generatori, ampiamente utilizzati nei dispositivi di misurazione automatici, raggiunge un'ottava con una potenza di uscita di 10–20 mW.

Figura 11. Circuito equivalente generalizzato di un diodo Gunn.

Amplificatori basati su diodi Gunn.

Lo sviluppo di amplificatori basati su diodi Gunn è di grande interesse, soprattutto per la gamma di lunghezze d'onda millimetriche, dove l'uso dei transistor a microonde è limitato. Un compito importante quando si creano amplificatori basati su diodi Gunn è garantire la stabilità del loro funzionamento (stabilizzazione del diodo) e, soprattutto, sopprimere le oscillazioni di tipo dominio di piccolo segnale. Ciò può essere ottenuto limitando il parametro del diodo, caricando il diodo con un circuito esterno, scegliendo un profilo di drogaggio del diodo, riducendo la sezione trasversale o applicando una pellicola dielettrica al campione. Come amplificatori vengono utilizzati sia diodi planari che mesastrutturali, che hanno conduttività negativa a tensioni superiori alla soglia in un ampio intervallo di frequenze vicino alla frequenza di volo e sono utilizzati come amplificatori riflettenti rigenerativi con un circolatore all'ingresso, nonché strutture a film più complesse che utilizzano il fenomeno della crescita delle onde della carica spaziale in un materiale con NDC, spesso chiamati amplificatori di onde viaggianti a film sottile (TWA).

Figura 12. Profilo di drogaggio (a) e distribuzione del campo (b) in un diodo Gunn con una regione catodica ad alta resistenza.

I tipi di amplificatori considerati sono caratterizzati da un'ampia gamma dinamica, un'efficienza del 2–3% e una figura di rumore di ~10 dB nella gamma di lunghezze d'onda centimetriche.

È in corso lo sviluppo di amplificatori di onde viaggianti a film sottile (Fig. 13), che forniscono un'amplificazione unidirezionale su un'ampia banda di frequenza e non richiedono l'uso di circolatori di disaccoppiamento. L'amplificatore è uno strato epitassiale di GaAs 2 spesso (2–15 μm), cresciuto su un substrato ad alta resistività 1. I contatti del catodo ohmico e dell'anodo si trovano a una distanza l'uno dall'altro e assicurano la deriva degli elettroni lungo il film quando una tensione costante viene loro applicato. Per l'ingresso e l'uscita del segnale a microonde dall'apparecchio vengono utilizzati due contatti 3 a forma di barriera Schottky con una larghezza di 1–5 μm. Il segnale di ingresso fornito tra il catodo e il primo contatto Schottky eccita un'onda di carica spaziale nel flusso di elettroni, che cambia in ampiezza mentre si muove verso l'anodo con velocità di fase.

Figura 13. Schema di un amplificatore di onde viaggianti a film sottile di GaAs con deriva longitudinale

Una di queste è un'onda diretta che si propaga lungo il film dal catodo all'anodo con velocità di fase, ed ha un'ampiezza che varia secondo la legge:

(10)

[L]. Berezin et al. Dispositivi elettronici a microonde. – M. Scuola Superiore 1985.

Discussione delle equazioni (1) con l'obiettivo di modificarle per il campo del potenziale vettoriale EM, poiché le nuove equazioni permetteranno di descrivere in modo coerente i processi di azione non termica dei campi elettrodinamici nei mezzi materiali: il campo elettrico e magnetico polarizzazione del mezzo, trasferimento del momento angolare dell'impulso EM ad esso. Le primissime relazioni della relazione primaria tra i componenti del campo EM e il campo del potenziale vettoriale EM con...

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introduzione

L'origine e lo sviluppo della microelettronica come nuova direzione scientifica e tecnica che garantisce la creazione di apparecchiature radioelettroniche complesse (REA) è direttamente correlata alla situazione di crisi sorta all'inizio degli anni '60, quando i metodi tradizionali di produzione REA da elementi discreti mediante il loro assemblaggio sequenziale non poteva fornire l'affidabilità, l'efficienza, il consumo energetico, i tempi di produzione e le dimensioni accettabili richieste del REA.

Nonostante il breve periodo della sua esistenza, l'interconnessione della microelettronica con altre aree della scienza e della tecnologia ha assicurato tassi di sviluppo insolitamente elevati di questo settore e ha ridotto significativamente i tempi per l'implementazione industriale di nuove idee. Ciò è stato facilitato anche dall'emergere di peculiari collegamenti di feedback tra lo sviluppo di circuiti integrati, che costituiscono la base per l'automazione della produzione e della gestione, e l'uso di questi sviluppi per automatizzare il processo stesso di progettazione, produzione e collaudo dei circuiti integrati.

Lo sviluppo della microelettronica ha apportato cambiamenti fondamentali nei principi di progettazione dei dispositivi elettronici e ha portato all'uso di un'integrazione complessa, che consiste in:

integrazione strutturale o circuitale (vale a dire integrazione delle funzioni circuitali all'interno di una singola unità strutturale); con il grado di integrazione dell'ordine di centinaia e migliaia di componenti, i metodi esistenti per dividere i sistemi in componenti, dispositivi, sottosistemi e blocchi, nonché le forme di coordinamento dello sviluppo di componenti, dispositivi e sottosistemi, diventano inefficaci; allo stesso tempo, il baricentro si sposta nell'area della circuiteria, che richiede una radicale ristrutturazione dei metodi di implementazione dei sistemi elettronici con la costruzione di apparecchiature a livello supermodulare;

1.Il ruolo della tecnologia a film sottile nella produzione di circuiti integrati

L'elettronica integrata si sta sviluppando non come un campo tecnologico nuovo o separato, ma generalizzando molte tecniche tecnologiche precedentemente utilizzate nella produzione di dispositivi semiconduttori discreti e nella produzione di rivestimenti in pellicola topcoated. In accordo con ciò, sono state identificate due direzioni principali nell'elettronica integrata: semiconduttore e film sottile.

La creazione di un circuito integrato su un singolo wafer semiconduttore monocristallino (finora solo silicio) è uno sviluppo naturale dei principi tecnologici di creazione di dispositivi a semiconduttore sviluppati negli ultimi decenni, che, come è noto, si sono dimostrati operativi.

La direzione del film sottile dell'elettronica integrata si basa sulla crescita sequenziale di film di vari materiali su una base comune (substrato) con la formazione simultanea di microparti (resistori, condensatori, piazzole di contatto, ecc.) E connessioni nel circuito da questi film.

Relativamente di recente, i circuiti integrati ibridi a semiconduttore (solidi) e a film sottile sono stati considerati direzioni concorrenti nello sviluppo dell'elettronica integrata. Negli ultimi anni è diventato evidente che queste due direzioni non sono affatto esclusive, ma al contrario si completano e si arricchiscono a vicenda. Inoltre, fino ad oggi, non sono stati creati circuiti integrati che utilizzano alcun tipo di tecnologia (e, a quanto pare, non ce n'è bisogno). Anche i circuiti monolitici in silicio, fabbricati principalmente utilizzando la tecnologia dei semiconduttori, utilizzano contemporaneamente metodi come la deposizione sotto vuoto di pellicole di alluminio e altri metalli per produrre connessioni in-circuit, ovvero metodi su cui si basa la tecnologia a film sottile.

Il grande vantaggio della tecnologia a film sottile è la sua flessibilità, espressa nella capacità di selezionare materiali con parametri e caratteristiche ottimali e di ottenere, di fatto, qualsiasi configurazione e parametro richiesti degli elementi passivi. In questo caso, le tolleranze con cui vengono mantenuti i singoli parametri degli elementi possono essere aumentate all'1-2%. Questo vantaggio è particolarmente efficace nei casi in cui il valore esatto dei valori nominali e la stabilità dei parametri dei componenti passivi sono critici (ad esempio, nella produzione di circuiti lineari, circuiti resistivi e RC, alcuni tipi di filtri, sensibili alla fase e circuiti selettivi, generatori, ecc.).

A causa del continuo sviluppo e miglioramento della tecnologia dei semiconduttori e dei film sottili, nonché della crescente complessità dei circuiti integrati, che si riflette nell'aumento del numero dei componenti e della complessità delle loro funzioni, è prevedibile che nel prossimo futuro In futuro ci sarà un processo di integrazione di metodi e tecniche tecnologici e i circuiti integrati più complessi saranno prodotti utilizzando la tecnologia convergente. In questo caso, è possibile ottenere parametri e affidabilità dell'IC che non possono essere raggiunti utilizzando ciascun tipo di tecnologia separatamente. Ad esempio, nella produzione di un circuito integrato a semiconduttore, tutti gli elementi (passivi e attivi) vengono eseguiti in un unico processo tecnologico, quindi i parametri degli elementi sono correlati. Gli elementi attivi sono decisivi, poiché solitamente la giunzione base-collettore del transistor viene utilizzata come condensatore e la regione di diffusione risultante dalla creazione della base del transistor viene utilizzata come resistore. È impossibile ottimizzare i parametri di un elemento senza modificare contemporaneamente le caratteristiche degli altri. Date le caratteristiche degli elementi attivi, i rating degli elementi passivi possono essere modificati solo modificandone le dimensioni.

Quando si utilizza la tecnologia combinata, gli elementi attivi vengono spesso prodotti utilizzando la tecnologia planare in un wafer di silicio e gli elementi passivi vengono prodotti utilizzando la tecnologia a film sottile su elemento ossidato per elemento (resistori e talvolta condensatori) - la superficie dello stesso wafer di silicio . Tuttavia, i processi di produzione delle parti attiva e passiva del circuito integrato sono separati nel tempo. Pertanto, le caratteristiche degli elementi passivi sono in gran parte indipendenti e sono determinate dalla scelta del materiale, dello spessore del film e della geometria. Poiché i transistor di un circuito integrato ibrido si trovano all'interno del substrato, la dimensione di tale circuito può essere notevolmente ridotta rispetto ai circuiti integrati ibridi, che utilizzano elementi attivi discreti che occupano una quantità relativamente grande di spazio sul substrato.

I circuiti realizzati con la tecnologia combinata presentano numerosi indubbi vantaggi. Ad esempio, in questo caso è possibile ottenere resistori di grande valore e piccolo coefficiente di resistenza termica, aventi una larghezza molto ridotta e un'elevata resistenza superficiale, in una piccola area. Il controllo del tasso di deposizione durante la produzione dei resistori consente di produrli con altissima precisione. I resistori ottenuti mediante deposizione di film non sono caratterizzati da correnti di dispersione attraverso il substrato anche a temperature elevate, e la conduttività termica relativamente elevata del substrato impedisce la possibilità che nei circuiti appaiano aree con temperature elevate.

I film sottili, oltre alla produzione di circuiti integrati utilizzando la tecnologia epitassiale-planare, sono ampiamente utilizzati nella produzione di circuiti integrati ibridi, nonché nella produzione di nuovi tipi di dispositivi microelettronici (dispositivi ad accoppiamento di carica, caricatori criotroni basati sul Josephson effetto, caricatori su domini magnetici cilindrici, ecc.).

2. Metallizzazione di film sottile di dispositivi a semiconduttore e circuiti integrati

Nella produzione di dispositivi a semiconduttore e circuiti integrati per la produzione di contatti ohmici su silicio, interconnessioni e piazzole di contatto, nonché elettrodi di gate di strutture MOS, si sono diffusi film di alluminio, grazie ai seguenti vantaggi di questo metallo:

basso costo dell'Al e possibilità di utilizzare un metallo per tutti i processi di metallizzazione, il che semplifica e riduce significativamente il costo della tecnologia e previene il verificarsi di effetti galvanici;

elevata conduttività elettrica dei film di Al, prossima alla conduttività elettrica del materiale sfuso; facilità di evaporazione dell'Al sotto vuoto da crogioli di tungsteno ed evaporatori a fascio di elettroni;

elevata adesione di A1 al silicio e ai suoi ossidi; contatto a bassa resistenza di Al con silicio e conduttività di tipo n;

notevole solubilità del silicio in Al con la formazione di una soluzione solida che quasi non riduce la conduttività elettrica;

l'assenza di composti chimici nel sistema Al--Si;

interazione chimica di A1 con Si02, rimanendo parzialmente sui cuscinetti di contatto; resistenza chimica A1 in ambiente ossidante e resistenza alle radiazioni;

facilità delle operazioni fotolitografiche per ottenere la configurazione di piste conduttrici utilizzando agenti aggressivi che non reagiscono con il silicio e il biossido di silicio; buona duttilità dell'Al e resistenza alle variazioni cicliche di temperatura.

La dimensione dei grani dei film di Al depositati dipende in modo significativo dalla velocità di evaporazione e dalla temperatura dei substrati. Maggiore è la dimensione del grano e più perfetta è la struttura cristallina del film, minore è la sua resistività, minore è l'effetto dell'elettromigrazione e, di conseguenza, i percorsi percorsi da corrente e i contatti ohmici hanno una durata maggiore. La crescita orientata dei film di Al su superfici di silicio non ossidate nel piano (111) è osservata a velocità di deposizione di circa 3 * 10-2 μm * s-1 e una temperatura del substrato di 200-250°C.

Per ottenere velocità di deposizione della pellicola così elevate, vengono spesso utilizzati evaporatori a fascio di elettroni. In questo caso, il grado di perfezione della struttura cristallina delle pellicole può cambiare in modo incontrollabile a causa dell'ulteriore riscaldamento radiante dei substrati, la cui entità dipende sia dalla potenza dell'evaporatore, sia dal materiale del substrato e dallo spessore del pellicola depositata. Cambiamenti incontrollati nella struttura del film si verificano anche a causa della presenza di particelle cariche nel fascio molecolare di vapore di Al evaporato. Maggiore è la corrente di emissione del catodo e maggiore è il tasso di evaporazione, maggiore è la concentrazione di particelle cariche.

Uno degli svantaggi significativi delle pellicole di Al puro è il trasferimento di materia a seguito dell'elettrodiffusione (la deriva degli ioni materiali lungo un conduttore, se esiste una differenza di potenziale alle estremità di quest'ultimo). La velocità del movimento degli ioni è una funzione della temperatura e aumenta con la temperatura. Oltre all'elettrodiffusione, la diffusione degli atomi metallici è possibile a causa della differenza di temperatura alle estremità del conduttore. Se l'Al si deposita sull'ossido di silicio, ciò provoca una scarsa dissipazione del calore, la comparsa di centri "caldi" sui percorsi conduttivi e, di conseguenza, notevoli gradienti di temperatura. L'elettromigrazione dell'Al a densità di corrente inferiori rispetto ad altri metalli porta alla comparsa di vuoti nella pellicola (effetto Kirkendall).

Poiché l’elettrodiffusione è un processo di attivazione, dipende in modo significativo dallo stato della superficie del bordo grano. Ridurre l’estensione dei confini aumentando le dimensioni dei grani e selezionando un materiale di rivestimento protettivo può aumentare significativamente l’energia di attivazione e, di conseguenza, il tempo tra i guasti. È possibile ottenere un aumento significativo dell'intervallo tra i guasti aggiungendo all'alluminio impurità di rame, magnesio, cromo e ossido di alluminio.

Dopo aver applicato la pellicola A1 ed ottenuto la configurazione richiesta delle piste portanti corrente, A1 viene fuso nel silicio ad una temperatura di 500-550°C per ottenere un contatto a bassa resistenza. La migrazione del silicio in eccesso sui percorsi di corrente adiacenti ai substrati di contatto provoca il distacco di A1 e guasti al circuito integrato. Per evitare ciò è necessario introdurvi circa il 2% quando A1 evapora. % di silicio. L'aggiunta di silicio ai cuscinetti di contatto di A1 riduce la migrazione del silicio dallo strato superficiale dell'emettitore (circa 1 μm), aumentando significativamente le prestazioni dell'IC sui transistor bipolari e prevenendo il cortocircuito delle giunzioni poco profonde dell'emettitore nell'IC . Per impedire la migrazione del silicio nella pellicola A1, è possibile utilizzare una pellicola di titanio come strato intermedio. L'uso del metodo di creazione di contatti ohmici con un sottostrato di titanio nei circuiti integrati ad azione rapida ha permesso di aumentare il tempo tra i guasti di 20 volte. Oltre al titanio, è possibile utilizzare uno strato sottostante di platino o palladio per formare siliciuro di platino o siliciuro di palladio.

Oltre ai vantaggi precedentemente elencati, la metallizzazione dell'alluminio presenta una serie di svantaggi significativi, i più importanti dei quali sono i seguenti:

bassa energia di attivazione degli atomi A1, che provoca elettromigrazione a densità di corrente di circa 106 A/cm2 e temperature elevate, con conseguente comparsa di vuoti nei film;

la possibilità di un cortocircuito attraverso il dielettrico nei sistemi di metallizzazione multilivello a causa della formazione di sporgenze taglienti sullo spiedo a seguito dell'elettromigrazione e della ricristallizzazione di A1;

pericolo di corrosione galvanica dell'Al quando si utilizzano contemporaneamente altri metalli; elevata velocità di diffusione di A1 lungo i bordi grano, che non consente l'utilizzo di dispositivi con metallizzazione A1 a temperature superiori a 500°C;

intensa interazione chimica di A1 con biossido di silicio ad una temperatura di circa 500°C;

il basso punto di fusione nell'eutettico dei sistemi alluminio-silicio è di circa 577°C;

una grande differenza (6 volte) tra i coefficienti di dilatazione termica A1 e 51;

morbidezza di A1 e, quindi, bassa resistenza meccanica dei film;

impossibilità di collegare i cavi mediante saldatura;

tensione di soglia elevata nelle strutture MOS a causa dell'elevata funzione di lavoro.

A causa degli svantaggi elencati, la metallizzazione dell'alluminio non viene utilizzata nei circuiti integrati e nei transistor con piccole giunzioni dell'emettitore, così come nei circuiti integrati MIS per... creare elettrodi di gate. A questo scopo vengono utilizzati sistemi monostrato e multistrato costituiti da vari metalli (incluso A1 per lo strato superiore). I materiali più adatti sono tungsteno e molibdeno. In particolare, il tungsteno ha quasi lo stesso TCR del silicio, un buon contatto ohmico con il silicio e la conduttività di tipo n, una piccola differenza (2,5 volte) rispetto all'alluminio nella conduttività elettrica, la più alta energia di attivazione di tutti i metalli durante l'autodiffusione, un'elevata temperatura di fusione dell'eutettico con silicio, inerzia chimica nell'aria e in una soluzione acquosa di acido fluoridrico, nonché elevata durezza, che elimina la possibilità di graffi sulla pellicola.

Grazie alla resistenza alle alte temperature di W, può essere utilizzato per la metallizzazione multistrato alternando strati di biossido di silicio con W. Durante il trattamento termico, non si formano accumuli sulla superficie del film e non vi è pericolo di cortocircuito tra percorsi percorsi da corrente nella metallizzazione multistrato. Inoltre, i film W (così come i film Mo) sono una barriera metallurgica che impedisce la formazione di una struttura intercristallina di silicio e alluminio.

Lo svantaggio della metallizzazione W è la difficoltà di ottenere film (per i quali viene solitamente utilizzata la pirolisi dell'esofluoruro di tungsteno) e di attaccarli (in una soluzione alcalina di ferrocianuro). Entrambi questi processi sono complessi e coinvolgono sostanze tossiche. Inoltre, è impossibile collegare i cavi esterni direttamente al tungsteno, quindi un altro metallo (Pt, Ni, Au, Cu, Al, ecc.) viene applicato sopra ai cuscinetti di contatto.

Nella produzione di circuiti integrati a microonde, circuiti integrati per scopi speciali e anche nella tecnologia ibrida, viene utilizzata la metallizzazione, costituita da diversi strati di metalli sottili. In questo caso, solitamente il primo strato (inferiore) di metallo deve avere un'elevata adesione sia al silicio che al biossido di silicio e allo stesso tempo avere bassi coefficienti di solubilità e diffusione in questi materiali. Questi requisiti sono soddisfatti da metalli come cromo, titanio, molibdeno e siliciuro di platino. Con la metallizzazione a due strati, il secondo strato (superiore) di metallo deve avere un'elevata conduttività elettrica e garantire la saldatura dei cavi ad esso. Tuttavia, in alcuni sistemi (come Cr-Au, Ti-Au o Cr-Cu) i contatti

Durante il trattamento termico perdono resistenza meccanica a causa della formazione di composti intermetallici ai loro bordi. Inoltre, il metallo sovrastante si diffonde attraverso lo strato sottostante nel silicio, riducendo la resistenza meccanica del giunto e modificando la resistenza di contatto. Per eliminare questo fenomeno viene solitamente utilizzato un terzo strato di metallo, che costituisce una barriera che impedisce l'interazione dello strato di metallizzazione superiore con il silicio. Ad esempio, nel triplo sistema Tt-Pl-Au, utilizzato nella fabbricazione di terminali per travi, lo strato

Riso. 1. Schema del processo di produzione della metallizzazione a due livelli nel sistema A1-A1rOz-A1. film sottile integrato nella microelettronica

a- applicazione di strati spessi e sottili di ossido di silicio prima della metallizzazione (è mostrata l'area di contatto ohmico); b - applicazione dell'alluminio, costituente il primo livello; c-fotoincisione del primo livello di metallo; d - anodizzazione del primo livello di metallizzazione con maschera di fotoresist; e - applicazione dell'alluminio costituente il secondo livello f - fotoincisione del secondo livello di metallizzazione;

Il Pt con uno spessore di circa 5X10-2 μm funge da barriera contro la diffusione di A1 in S1. Inoltre, per i terminali a fascio nei circuiti integrati MIS, vengono utilizzati i sistemi Cr-Ag-Au, Cr-Ag-Pt, Pd-Ag-Au, in cui una pellicola d'argento svolge il ruolo di barriera. Per i circuiti integrati ibridi e le linee di circuiti integrati a microonde stripline, vengono utilizzati i sistemi Cr-Cu e Cr-Cu-Cr.

Un aumento della densità degli elementi su un chip richiedeva l'uso della metallizzazione multilivello. Nella fig. La Figura 1 mostra la sequenza di produzione della metallizzazione a due livelli nel sistema A1-A1203-A1, utilizzato nei dispositivi ad accoppiamento di carica.

Un materiale isolante relativamente nuovo per la metallizzazione multilivello è la poliimmide, con la quale si ottiene la metallizzazione a cinque livelli degli LSI sui transistor MOS.

3. Fattori che influenzano le proprietà dei film sottili

La crescita di una sostanza su un substrato da un'altra sostanza è un processo molto complesso, che dipende da un gran numero di parametri difficili da controllare: la struttura del substrato, lo stato della sua superficie, la temperatura, le proprietà della sostanza evaporata e la velocità della sua deposizione, il materiale e la struttura dell'evaporatore, il grado di vuoto, la composizione dell'ambiente residuo e molti altri. Nella tabella La Figura 1 mostra la relazione tra le proprietà dei film e le condizioni della loro deposizione.

Proprietà del film

fattori che influenzano queste proprietà

Dimensione del grano

Materiale del substrato e della pellicola. Contaminazione del substrato.

Mobilità degli atomi del materiale depositato sulla superficie

substrati (temperatura del substrato, velocità di deposizione).

Struttura della superficie del supporto (grado di rugosità,

presenza di cristalli)

Posizionamento dei cristalli

Struttura del substrato "" (monocristallino,

policristallino o amorfo). Contaminazione del substrato

(violazione della struttura del film). Temperatura del substrato

(garantendo la necessaria mobilità degli atomi del depositato

Materiale)

Adesione tra film

Materiale del substrato e della pellicola. Processi aggiuntivi

(ad esempio, la formazione di uno strato di ossido intermedio

tra la pellicola e il substrato). Contaminazione del substrato.

Mobilità degli atomi del materiale depositato

Inquinamento

Purezza del materiale evaporato. Materiale dell'evaporatore.

Contaminazione del substrato. Grado di vuoto e composizione

gas e velocità di deposizione

Ossidazione

Il grado di affinità chimica del materiale depositato

ossigeno. Assorbimento del vapore acqueo da parte del supporto.

Temperatura del substrato. Grado di vuoto e composizione

ambiente residuo. Il rapporto tra pressione residua

gas e velocità di deposizione

Voltaggio

Materiale della pellicola e del substrato. Temperatura del substrato.

Granulometria, inclusioni, difetti cristallografici

film. Ricottura. Angolo tra fascio molecolare e substrato

A seconda delle specifiche condizioni di deposizione, film di una stessa sostanza possono presentare le seguenti principali caratteristiche strutturali: una struttura amorfa, caratterizzata dall'assenza di un reticolo cristallino; struttura colloidale (a grana fine), caratterizzata dalla presenza di cristalli molto piccoli (meno di 10~2 µm); struttura granulare (a grana grossa) con cristalli grandi (10-1 µm o più); struttura monocristallina, quando l'intero film è un reticolo cristallino continuo di atomi di un dato materiale.

4.Substrati

Il materiale utilizzato per la fabbricazione dei substrati deve avere una composizione omogenea, una superficie liscia (con un grado di finitura 12-14), avere un'elevata resistenza elettrica e meccanica, essere chimicamente inerte, avere un'elevata resistenza al calore e conduttività termica, coefficienti di dilatazione termica del materiale del substrato e della pellicola depositata dovrebbero avere un valore simile. È abbastanza chiaro che è quasi impossibile selezionare materiali per substrati che soddisfino ugualmente tutti i requisiti elencati.

Come substrati per i circuiti integrati ibridi utilizzo vetroceramica, fototallo, ceramiche ad alto contenuto di allumina e berillio, vetro, polycor, poliimmide, nonché metalli rivestiti con una pellicola dielettrica.

I Sitall sono materiali vetroceramici ottenuti mediante trattamento termico (cristallizzazione) del vetro. La maggior parte delle vetroceramiche sono state ottenute nei sistemi Li2O-Al2O3-SiO2-TiO2 e RO-Al2O3-SiO2-TiO2 (tipo CO CaO, MgO, BaO).

A differenza della maggior parte dei materiali cristallini refrattari e ad alta resistenza, la vetroceramica ha una buona flessibilità durante la formazione. Può essere pressato, trafilato, laminato e colato mediante centrifuga e resiste a sbalzi termici. Ha basse perdite dielettriche, la sua resistenza elettrica non è inferiore ai migliori tipi di ceramica sottovuoto e la sua resistenza meccanica è 2-3 volte più forte del vetro. Sitall non è poroso, è a tenuta di gas e presenta uno sviluppo di gas insignificante alle alte temperature.

Poiché la vetroceramica ha una struttura multifase, quando viene esposta a vari reagenti chimici utilizzati, ad esempio, per pulire la superficie del substrato dai contaminanti, è possibile un'incisione profonda e selettiva delle singole fasi, che porta alla formazione di un rilievo netto e profondo sulla superficie del substrato. La presenza di rugosità sulla superficie del substrato riduce la riproducibilità dei parametri e l'affidabilità dei resistori e dei condensatori a film sottile. Pertanto, per ridurre l'altezza e smussare i bordi delle microirregolarità, a volte viene applicato uno strato di primer di un materiale con buone proprietà dielettriche e adesive, nonché una struttura uniforme (ad esempio, uno strato di monossido di silicio spesso diversi micron). al substrato.

Tra i vetri, come substrati vengono utilizzati vetri di silicato amorfo, vetro esente da alcali C48-3, vetro borosilicato e vetro di quarzo. I vetri di silicato si ottengono da una fusione liquida di ossidi mediante sottoraffreddamento, in conseguenza del quale viene preservata la struttura del liquido, cioè il caratteristico stato amorfo. Sebbene i vetri contengano aree con una fase cristallina - cristalliti, sono distribuiti in modo casuale nell'intera struttura, occupano una piccola parte del volume e non hanno un effetto significativo sulla natura amorfa del vetro.

Il vetro al quarzo è un vetro silicatico monocomponente, costituito quasi interamente da silicio e ottenuto dalla fusione delle sue varietà naturali. Ha un coefficiente di dilatazione termica molto basso, che determina la sua resistenza al calore eccezionalmente elevata. Rispetto ad altri vetri, il vetro al quarzo è inerte all’azione della maggior parte dei reagenti chimici. Gli acidi organici e minerali (ad eccezione degli acidi fluoridrico e fosforico) di qualsiasi concentrazione, anche a temperature elevate, non hanno quasi alcun effetto sul vetro al quarzo.

I substrati ceramici sono di uso limitato a causa della loro elevata porosità. I vantaggi di questi substrati sono l'elevata resistenza e la conduttività termica. Ad esempio, un substrato ceramico a base di BeO ha una conduttività termica 200-250 volte superiore a quella del vetro, quindi in condizioni termiche intense è consigliabile utilizzare la ceramica al berillio. Oltre alla ceramica al berillio, vengono utilizzate ceramiche ad alto contenuto di allumina (94% Al2Oz), ossido di alluminio denso, ceramica di steatite e ceramica smaltata a base di ossido di alluminio. Va notato che gli smalti hanno uno spessore inferiore a 100 micron e quindi non forniscono una barriera apprezzabile tra la pellicola e il substrato a bassi livelli di potenza. La microrugosità della ceramica non trattata è centinaia di volte maggiore di quella del vetro, raggiungendo diverse migliaia di angstrom. Possono essere notevolmente ridotti mediante lucidatura, ma ciò contamina notevolmente la superficie ceramica.

La presenza di contaminanti sul substrato ha un effetto significativo sia sull'adesione che sulle proprietà elettriche dei film. Pertanto, prima della deposizione, è necessario pulire accuratamente i substrati, nonché proteggerli dalla possibilità di comparsa di pellicole oleose che possono formarsi a seguito della migrazione dei vapori del fluido di lavoro dalle pompe. Un metodo di pulizia efficace è il bombardamento ionico della superficie del substrato in un plasma a scarica a bagliore. A tale scopo, nella camera di lavoro di un impianto a vuoto vengono solitamente forniti elettrodi speciali, a cui viene fornita una tensione di diversi kilovolt da una sorgente ad alta tensione a bassa potenza. Gli elettrodi sono spesso realizzati in alluminio perché ha il tasso di sputtering catodico più basso tra i metalli.

Va tenuto presente che anche una minima contaminazione può cambiare completamente le condizioni di crescita del film. Se i contaminanti si trovano sul substrato sotto forma di piccole isole isolate l'una dall'altra, a seconda di quale energia di legame è maggiore: tra il materiale della pellicola e il materiale contaminante o tra il materiale della pellicola e il substrato, si può formare una pellicola su queste isole o su parti nude del substrato.

L'adesione del film dipende in larga misura dalla presenza di uno strato di ossido, che può formarsi durante il processo di deposizione tra film e substrato. Un tale strato di ossido si forma, ad esempio, durante la deposizione di ferro e nicromo, il che spiega la buona adesione di queste pellicole. Le pellicole in oro, che non sono soggette ad ossidazione, hanno scarsa adesione, pertanto è necessario creare un sottostrato intermedio di materiale ad alta adesione tra l'oro e il substrato. È desiderabile che lo strato di ossido risultante sia concentrato tra la pellicola e il substrato. Se l'ossido è disperso in tutta la pellicola o si trova sulla sua superficie, le proprietà della pellicola possono cambiare in modo significativo. La formazione di ossidi è fortemente influenzata dalla composizione dei gas residui nel volume utile dell'impianto e, in particolare, dalla presenza di vapore acqueo.

5. Resistenze a film sottile

I materiali utilizzati nella produzione di film resistivi devono fornire la capacità di ottenere un'ampia gamma di resistori stabili nel tempo con un coefficiente di resistenza a bassa temperatura (TCR), avere una buona adesione, un'elevata resistenza alla corrosione e resistenza all'esposizione prolungata a temperature elevate. Quando il materiale viene depositato sul substrato, si dovrebbero formare linee sottili e chiare di configurazione complessa con una buona ripetibilità del modello da campione a campione.

I film resistivi hanno molto spesso una struttura dispersa a grana fine. La presenza di dispersione r, la struttura dei film consente, in prima approssimazione, di considerare la loro resistenza elettrica come la resistenza totale dei singoli granuli e delle barriere tra loro, in cui la natura della resistenza totale determina l'entità e il segno di TK .S. Quindi, ad esempio, se la resistenza dei grani stessi è predominante, allora la conduttività del film è di natura metallica e il TCR sarà positivo. Se invece la resistenza è dovuta al passaggio di elettroni attraverso gli spazi tra i grani (cosa che solitamente avviene con spessori di film ridotti), allora la conduttività sarà di natura semiconduttrice e il TCR sarà di conseguenza negativo.

La produzione di circuiti integrati monolitici utilizza principalmente resistori ad alta impedenza. Affinché i resistori siano quanto più piccoli possibile, devono essere prodotti con la stessa risoluzione e tolleranza degli altri elementi dei circuiti integrati. Ciò esclude l'uso di maschere metalliche libere per ottenere la configurazione richiesta di resistori e consente di realizzarla solo mediante fotolitografia.

Quando si producono circuiti integrati monolitici di micropotenza utilizzando la tecnologia combinata, diventa necessario posizionare resistori ad alta resistenza con una resistenza fino a diversi megaohm su un'area relativamente piccola del cristallo, cosa che può essere ottenuta solo se il materiale del resistore ha Rs (10--20) kOhm/c. Il processo di produzione dei resistori deve essere combinato con il processo tecnologico principale di produzione dell'intero circuito integrato in silicio utilizzando la tecnologia planare o epitassiale-planare. Ad esempio, le pellicole resistive non dovrebbero essere sensibili alla presenza di nitruro di silicio, fosforo, vetro borosilicato e altri materiali utilizzati nella produzione di circuiti integrati monolitici sul wafer di silicio. Devono resistere alla temperatura relativamente elevata (500-550°C) che si verifica durante il processo di sigillatura del circuito integrato e in alcuni casi non devono modificare le loro proprietà sotto l'influenza di un ambiente ossidante. I circuiti integrati monolitici utilizzano principalmente nichelcromo e tanta per realizzare resistori.

Nella produzione di circuiti integrati ibridi viene utilizzata una gamma molto più ampia di materiali per resistori a film sottile.

Come pellicole a bassa resistenza con Rs da 10 a 300 Ohm. Vengono utilizzate pellicole di cromo, nicromo e t-tal. La produzione di film di cromo con proprietà elettrofisiche riproducibili è alquanto complicata dalla sua capacità di formare composti (soprattutto ossidi) quando interagiscono con i gas residui durante l'evaporazione e la deposizione. I resistori basati sulla lega di cromo-nichel (20% Cr e 80% Ni) hanno caratteristiche significativamente più stabili. Le pellicole di tantalio, a causa della presenza di varie modifiche strutturali, hanno una gamma molto ampia di resistenze superficiali (da diversi Ohm/s per a). -tantalio a diversi MOhm/s per tantalio a bassa densità) Il nitruro di tantalio è utilizzato anche come materiale resistivo altamente stabile.

Un'espansione significativa delle prestazioni dei resistori si ottiene utilizzando pellicole metallo-ceramiche e pellicole di siliciuri di alcuni metalli. In questi sistemi, il cromo viene spesso utilizzato come metallo e ossidi, boruri, nitruri e siliciuri di metalli di transizione. ossidi di alcuni metalloidi, vengono utilizzati come dielettrico. Le pellicole realizzate in disiliciuro di cromo, nonché le pellicole costituite da una lega di silicio, cromo e nichel, hanno Rs fino a 5 kOhm/s; per i film basati su sistemi cromo --- monossido di silicio Rs, a seconda del contenuto di cromo, può variare da unità a centinaia di Ohm/s.

6. Condensatori a film sottile

I condensatori a film sottile, nonostante l'apparente semplicità della struttura a tre strati, sono i più complessi e laboriosi rispetto ad altri elementi passivi a film.

A differenza di resistori, piazzole e commutatori, nella cui fabbricazione è sufficiente depositare uno o due strati (sottostrato e strato), la fabbricazione di condensatori a film sottile richiede la deposizione di almeno tre strati: la piastra inferiore, il film dielettrico e la piastra superiore (l'utilizzo di più piastre complica il processo di fabbricazione dei condensatori e ne aumenta il costo).

Il materiale utilizzato per la fabbricazione dei film dielettrici deve avere una buona adesione al metallo utilizzato per le piastre dei condensatori, essere denso e non soggetto a distruzione meccanica se esposto a cicli di temperatura, avere un'elevata tensione di rottura e basse perdite dielettriche, avere un'elevata tensione dielettrica costante e non si decompone durante il processo di evaporazione e deposizione e ha un'igroscopicità minima.

I materiali più comuni utilizzati come dielettrici nei condensatori a film sono il monossido di silicio (Si0) e il monossido di germanio (GeO). Negli ultimi anni sono stati utilizzati a questo scopo vetri di alluminosilicato, borosilicato e antimonidogermanio.

I dielettrici più promettenti sono i composti vetrosi compositi, poiché hanno la capacità di modificare le proprietà elettrofisiche, fisico-chimiche e termodinamiche in un ampio intervallo selezionando la composizione del vetro e implementando le caratteristiche dello stato aggregativo dei sistemi vetrosi nel metallo a film sottile -strutture dielettrico-metalliche.

7. Film di tantalio e suoi composti

Negli ultimi anni i film di tantalio e i suoi composti sono diventati sempre più diffusi nella fabbricazione di elementi in film di circuiti integrati. La scelta del tantalio come materiale di partenza è in gran parte spiegata dal fatto che, a seconda delle condizioni per ottenere film di tallallio, possono avere una struttura diversa e, di conseguenza, cambiare sia la loro resistività che il coefficiente di temperatura entro ampi limiti.

In termini di struttura cristallina e proprietà elettriche, i film di b-tantalio sono i più vicini al campione globale, hanno una struttura centrata sul corpo cristallino grossolano e hanno una resistività relativamente bassa (20-40 μOhm-cm). A differenza del k-tantalio, il p-tantalio, che ha una struttura fine-cristallina tetragonale e una resistività di 160-200 km Ohm * cm, non si trova in campioni massicci. Questa modifica metastabile del tantalio è caratteristica solo dei film sottili.

La produzione di pellicole di tantalio b e c viene solitamente effettuata mediante sputtering catodico con una tensione di 4--5 kV e una densità di corrente di 0,1--1 mA/cm2. Se si riduce la tensione e non si aumenta la pressione dell'argon, la corrente di scarica diminuirà, il che porterà ad una significativa diminuzione del tasso di deposizione. Ciò produce film di bassa densità, aventi una struttura altamente porosa con dimensioni dei pori di (4--7)-10-3 µm, costituiti da un numero maggiore di grani di k- o p-tantalio con dimensioni dei cristalli di (3--5 ) * 10-2 µm. L'elevata porosità dei film e l'aspetto del sistema di miscela metallo-dielettrico provocano un aumento anomalo della resistività (circa 200 volte rispetto al b-tantalio) e una variazione del suo coefficiente di temperatura. Se l'azoto viene aggiunto all'argon in una quantità significativamente superiore al fondo dei gas residui, si possono ottenere pellicole di nitruro di tantalio aventi due stati stabili Ta2N e TaN con diverse strutture cristalline e proprietà elettriche.

La presenza di diverse modifiche del tantalio (b- e b-tantalio, tantalio a bassa densità) e del suo nitruro consente di scegliere una varietà di soluzioni topologiche durante la progettazione della parte passiva dei microcircuiti.

Il b-tantalio puro, a causa delle elevate sollecitazioni meccaniche nel film e della scarsa adesione al substrato, non ha trovato un uso diffuso nella produzione di elementi RC di microcircuiti e viene utilizzato parzialmente per la fabbricazione delle piastre inferiori dei condensatori; per la produzione di resistori. Il nitruro di tantalio e il tantalio a bassa densità vengono utilizzati per realizzare resistori. Il valore pratico del tantalio a bassa densità risiede nella capacità di ottenere resistori a film sottile altamente stabili (da 10 kOhm a diversi megaohm) di piccole dimensioni e con una configurazione semplice. I condensatori a film sottile possono essere realizzati molto più facilmente dal tantalio a bassa densità, poiché in questo caso l'elettrodo superiore, così come quello inferiore, possono essere ottenuti mediante sputtering di tantalio, mentre quando si utilizza tantalio di densità normale, si tenta di ottenere l'elettrodo superiore elettrodo in questo modo spesso provocava danni allo strato dielettrico. Inoltre, il tantalio a bassa densità consente di produrre circuiti RC con parametri distribuiti e un valore del resistore regolabile, che può essere utilizzato come elettrodo superiore di un condensatore.

Il pentossido di tantalio (Ta2O5), ottenuto mediante anodizzazione elettrolitica o al plasma, ha basse perdite dielettriche e può essere utilizzato sia come dielettrico per un condensatore che come isolante o strato protettivo per un resistore. Inoltre, l'anodizzazione può essere utilizzata per regolare con precisione i valori di condensatori e resistori. L'uso dell'attacco ionico, nonché la solubilità del nitruro di tantalio, del tantalio puro e dei suoi ossidi in vari agenti chimici, consente di utilizzare una varietà di metodi per ottenere la configurazione richiesta dei microcircuiti.

Pertanto, sulla base del tantalio, è possibile garantire la produzione collettiva di elementi passivi (resistori, condensatori, conduttori di collegamento e cuscinetti di contatto) con parametri sia concentrati che distribuiti, che nella loro complessità non sono inferiori agli elementi realizzati sulla base di altri materiali, ma allo stesso tempo hanno precisione, stabilità e affidabilità significativamente maggiori. La versatilità del tantalio e la mancanza di necessità di utilizzare altri materiali indicano che la stragrande maggioranza degli elementi dei circuiti integrati passivi può essere prodotta sulla base della “tecnologia del tantalio”.

Conclusione

L'attuale fase di sviluppo dell'elettronica integrata è caratterizzata dalla tendenza ad aumentare ulteriormente le frequenze operative e ridurre i tempi di commutazione, aumentare l'affidabilità e ridurre i costi dei materiali e del processo di produzione dei circuiti integrati.

La riduzione del costo dei circuiti integrati richiede lo sviluppo di principi qualitativamente nuovi per la loro fabbricazione utilizzando processi basati su fenomeni fisici e chimici simili, che, da un lato, costituiscono un prerequisito per la successiva integrazione di operazioni tecnologiche omogenee del ciclo produttivo e, d'altro canto, si apre la possibilità fondamentale di controllare tutte le operazioni da un computer. La necessità di cambiamenti qualitativi nella tecnologia e nella riattrezzatura tecnica del settore è dettata anche dal passaggio alla fase successiva di sviluppo della microelettronica: l'elettronica funzionale, che si basa su fenomeni ottici, magnetici, superficiali e di plasma, transizioni di fase, elettroni -interazioni fononiche, effetti di accumulo e trasferimento di carica, ecc.

Il criterio per la “progressività” del processo tecnologico, insieme al miglioramento dei parametri e delle caratteristiche del prodotto stesso, è l'elevata efficienza economica, determinata da una serie di criteri privati e interconnessi che garantiscono la possibilità di costruire insiemi di sistemi completamente automatizzati , apparecchiature ad alte prestazioni con una lunga durata.

I criteri particolari più importanti sono:

universalità, cioè la capacità di realizzare l’intero (o la stragrande maggioranza delle operazioni) del ciclo produttivo utilizzando le stesse modalità tecnologiche;

continuità, che costituisce un prerequisito per la successiva integrazione (combinazione) di una serie di operazioni tecnologiche del ciclo produttivo, unita alla possibilità di utilizzare lavorazioni simultanee di gruppo di un numero significativo di prodotti o semilavorati;

alta velocità di tutte le principali operazioni del processo tecnologico o possibilità della loro intensificazione, ad esempio a seguito dell'esposizione a campi elettrici e magnetici, radiazioni laser, ecc.;

riproducibilità dei parametri ad ogni operazione ed elevata percentuale di resa sia dei semilavorati che dei prodotti idonei;

producibilità del progetto di un prodotto o semilavorato che soddisfi i requisiti della produzione automatizzata (possibilità di caricamento automatizzato, basamento, installazione, assemblaggio, ecc.), che dovrebbe riflettersi nella semplicità della forma, nonché nella limitata tolleranze per le dimensioni complessive e di base;

formalizzazione, ovvero la possibilità di elaborare (sulla base delle dipendenze analitiche dei parametri del prodotto sui parametri del processo tecnologico) una descrizione matematica (algoritmo) di ciascuna operazione tecnologica e successivo controllo dell'intero processo tecnologico utilizzando un computer;

adattabilità (vitalità) del processo, ovvero la capacità di esistere a lungo in condizioni di continua emergenza e sviluppo di nuovi processi competitivi e la capacità di ricostruire rapidamente le attrezzature per la fabbricazione di nuovi tipi di prodotti senza costi di capitale significativi.

La maggior parte dei criteri elencati sono soddisfatti dai processi che utilizzano fenomeni elettronici e ionici che si verificano nel vuoto e nei gas rarefatti, con l'aiuto dei quali è possibile produrre:

sputtering ionico di metalli, leghe, dielettrici e semiconduttori per ottenere film di vari spessori e composizioni, interconnessioni, strutture capacitive, isolamenti interstrato, cablaggi interstrato;

attacco ionico di metalli, leghe, semiconduttori e dielettrici al fine di rimuovere singole aree localizzate quando si ottiene una configurazione IC;

anodizzazione al plasma per ottenere film di ossido;

polimerizzazione di film organici in zone irradiate con elettroni per ottenere strati isolanti organici;

pulire e lucidare la superficie dei substrati;

crescita di singoli cristalli;

evaporazione dei materiali (compresi quelli refrattari) e ricristallizzazione dei film;

micro-fresatura di film;

microsaldatura e microsaldatura per collegare cavi IC e alloggiamenti sigillanti;

metodi senza contatto per il monitoraggio dei parametri IC.

La comunanza dei fenomeni fisici e chimici su cui si basano i processi elencati mostra la possibilità fondamentale della loro successiva integrazione al fine di creare una nuova base tecnologica per la produzione automatizzata ad alte prestazioni di circuiti integrati e dispositivi elettronici funzionali.

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