Mikroelektronikas fiziskie pamati. Mikroelektronikas fiziskie pamati, lekciju konspekti Uz Gunn diodēm balstītu ģeneratoru konstrukcijas un parametri

Sarapulas Politehniskais institūts (filiāle)

Valsts izglītības iestāde

augstākā profesionālā izglītība

"Iževskas Valsts tehniskā universitāte"

Kipras departaments

Kursa darbs

Disciplīna: Mikroelektronikas fiziskie pamati.

Par tēmu: Dislokācijas. Burgeru vektors. Dislokācijas ietekme uz īpašībām

Būvmateriāli.

Gatavs: Pārbaudīts:

students gr. 471 skolotājs

Volkovs A.V.Ivaņņikovs V.P.

Sarapul, 2010. gads

Ievads.................................................. .............................. 1

Dislokācijas veidi.................................................. ........ ... ..2

Kontūras un Burgeru vektors.................................2-3

Dislokācijas kustība.................................................. ... ...3-4

Dislokācijas blīvums.................................................. ...4

Spēks, kas iedarbojas uz dislokāciju.................................4-5

Dislokācijas enerģija................................................ ... ...5

Mežģījumu pavairošana un uzkrāšanās................................5-6

Frenka izmežģījumi un kraušanas defekti................6

Kristālu dislokācijas un fizikālās īpašības......7

Spēka atkarība no dislokācijas esamības...7-8

Kristālu augšana................................................ ..........8

Izmežģījumi un elektrovadītspēja..................................8-9

Secinājums.................................................. ......................10

Atsauču saraksts................................................ 11

Ievads

Dislokācijas teorija parādījās 50. gados. pagājušajā gadsimtā sakarā ar to, ka materiālu stiprības teorētiskie aprēķini būtiski atšķīrās no praktiskiem.

Kristāla teorētisko bīdes izturību vispirms aprēķināja Frenkels, pamatojoties uz vienkāršu modeli, kurā divas atomu rindas ir pārvietotas bīdes sprieguma ietekmē. Starpplakņu attālums (attālums starp rindām) ir vienāds ar A , un attālums starp atomiem slīdēšanas virzienā ir vienāds ar b . Zem bīdes sprieguma τ šīs atomu rindas ir pārvietotas viena pret otru, nonākot līdzsvara pozīcijās tādos punktos kā A , IN Un AR , D , kur noteiktai bīdes konfigurācijai nepieciešamais bīdes spriegums ir nulle. Starppozīcijās bīdes spriegumam ir ierobežotas vērtības, kas periodiski mainās režģa tilpumā. Pieņemt bīdes spriegumu τ būs kompensācijas funkcija X ar periodu b :

(1.1)

Nelieliem nobīdēm:

(1.2)

Izmantojot Huka likumu:

, (1.3)

kur G ir bīdes modulis un – bīdes deformācija, atrast proporcionalitātes koeficientu Uz :

(1.4)

Šīs vērtības aizstāšana Uz (1.1) mēs iegūstam:

(1.5)

Maksimālā vērtība τ , kas atbilst spriegumam, pie kura režģis nonāk nestabilā stāvoklī:

Var pieņemt a ≈ b , tad bīdes spriegums

Šādi aprēķināti dažādu materiālu teorētiskie bīdes spriegumi izrādījās ievērojami lielāki, salīdzinot ar praktiskajām vērtībām. Tātad par varu

teorētiskā vērtība

= 760 kgf/mm, un praktiskā vērtība īstiem kristāliem = 100 kgf/mm.

Sakarā ar lielo neatbilstību starp teorētiskajiem un praktiskiem rezultātiem, tika pieņemts, ka kristālā ir mikroskopiski lineāri defekti un dislokācijas.

Dislokācijas ir pārvietošanās pārtraukumi starp divām kristāla daļām, no kurām viena tiek pārvietota, bet otra ne. Tādējādi deformāciju attēlo secīga dislokāciju pāreja pa slīdēšanas plakni, nevis vienlaicīga bīde visā kristālā.

Dislokāciju veidi.

Ir divi galvenie dislokāciju veidi: mala un skrūve.

1. Malu izmežģījumi.

Malu dislokācijas modeli var attēlot, izgriežot spraugu elastīgi cieta ķermeņa gabalā ABCD , kas beidzas pa līniju AB šī gabala iekšpusē (1. att.). Materiāls vienā pusē kustas, veidojot pakāpienu CDEF . Līnija A B , kas atbilst spraugas galam, ir robeža starp deformēto un nedeformēto materiālu, nosaka punktus, kuros dislokācijas līnija iziet no ķermeņa virsmas.

1. att. 2. att

2. attēlā parādīts vizuālais modelis malas dislokācijai vienkāršā kubiskā režģī. Malas dislokāciju izraisa papildu pusplaknes A klātbūtne, kas ir perpendikulāra slīdēšanas plaknei B (2. att.).

Papildu pusplakne var būt virs slīdēšanas plaknes (kā 2. att.), tad dislokāciju sauc par pozitīvu, ja pusplakne atrodas zemāk, tā ir negatīva.

2. Skrūvju dislokācijas:

Skrūves dislokācijas modelis ir līdzīgs malu dislokācijai, bet skrūves dislokācijas virziens ir paralēls taisnei AB, veidojas pakāpiens ADEF (3. att.).

3. att. Skrūves dislokācijas modelis.

Burgeru kontūra un vektors:

Lai aprakstītu dislokācijas kristālos, tiek ieviests Burgers kontūras un vektora jēdziens. Perfektā režģī novilkta kontūra ir slēgts taisnstūris, kurā pēdējais no uzzīmētajiem vektoriem nonāk sākuma punktā 4. attēlā. Kontūrai, kas aptver dislokāciju, ir pārrāvums, un vektoru, kas jāuzzīmē, lai kontūra noslēgtos, sauc par Burgers vektoru, un novilkto kontūru sauc par Burgers kontūru. Burgers vektors nosaka plīsuma lielumu un virzienus, tas parasti ir vienāds ar vienu starpatomu attālumu un ir nemainīgs visā dislokācijas garumā neatkarīgi no tā, vai mainās tā virziens vai atrašanās vieta. Ideālā kristālā Burgers vektors ir nulle. Kristālā ar malas dislokāciju tas ir paralēls slīdēšanas virzienam un atbilst slīdēšanas vektoram 5. att. Kristālā ar skrūves dislokāciju tas ir perpendikulārs slīdēšanas plaknei 6. att

4. att. 5. att. 6. att

Kristālā ir iespējamas arī dislokācijas, kas pilnībā atrodas kristāla iekšpusē un nesniedzas līdz tā virsmai, kā tas ir minēts iepriekš. Dislokācijas kristālā var tikt pārtrauktas citās dislokācijās, graudu robežās un citās saskarnēs. Tāpēc kristāla iekšpusē ir iespējamas dislokācijas cilpas vai savstarpēji saistīti dislokāciju tīkli. Šādu dislokāciju no nedeformētā apgabala var atdalīt ar dislokācijas līniju, jo īpaši gredzena vai cilpas veidā, to var iegūt, iespiežot kristālā ķermeni. 7. attēlā parādīta prizmatiskas dislokācijas veidošanās ar ievilkumu virs apgabala ABCD.

Šajā gadījumā veidojas malas un skrūves dislokācija, Burgers vektors, kas ir dislokācijas komponentu vektoru summa: (1.6)

Punktā, kurā trīs dislokācijas savienojas, to 7. att. Burgeru vektori ir saistīti ar attiecību:

(1.7)

Dislokācijas kustība.

Svarīga dislokāciju īpašība ir to spēja pārvietoties mehāniskās slodzes ietekmē. Jauktas dislokācijas elementārais segments dl ar Burgers vektoru b virzās virzienā dz. Skaļums, kas veidots uz šiem trim vektoriem:

dV = (dz × dl) b, (1,8)

ir līdzvērtīgs materiāla tilpumam, kas pārvietojas kristālā, pārvietojoties dislokācijai. Ja V=0, dislokācijas kustību nepavada masas pārnese vai kristāla tilpuma izmaiņas. Šī ir konservatīvā kustība jeb slīdēšana. Malu un jauktām dislokācijām, kurām Burgera vektors b nav paralēls dislokācijas līnijai dl, slīdēšana notiek plaknē, ko nosaka vektori b un dl: izteiksme (1.8) ir vienāda ar nulli, ja dz atrodas tajā pašā plaknē ar vektori b un dl. Acīmredzot malas vai jauktas dislokācijas slīdēšanas plakne ir plakne, kurā atrodas dislokācija un tās Burgers vektors. Malas dislokācija ir ārkārtīgi kustīga savā slīdēšanas plaknē. Malas dislokācijas kustību var attēlot kā secīgu pakāpenisku atomu kustību, kas atrodas blakus dislokācijas līnijai visā garumā, ko papildina saišu pārdale starp šiem atomiem. Pēc katra šāda notikuma dislokācija pārvieto vienu starpatomisku attālumu. Šajā gadījumā spriegums, kas izraisa dislokāciju kustību, ir ievērojami mazāks nekā materiāla bīdes spriegums. Šādas kustības rezultātā dislokācija var sasniegt kristāla virsmu un pazust. Tādējādi kristāla apgabali, kas atdalīti ar slīdēšanas plakni, pēc dislokācijas atbrīvošanas tiks nobīdīti par vienu starpatomu attālumu (8. att.).

Krievijas Federācijas Izglītības ministrija

Oriolas Valsts tehniskā universitāte

Fizikas katedra

KOPSAVILKUMS

par tēmu: "Guna efekts un tā izmantošana diodēs, kas darbojas ģeneratora režīmā."

Disciplīna: “Mikroelektronikas fiziskie pamati”

Pabeidza 3.–4. grupas audzēknis Senators D.G.

Pārraugs:

Ērglis. 2000. gads

Guna efekts un tā izmantošana diodēs, kas darbojas ģeneratora režīmā.

Lai pastiprinātu un radītu mikroviļņu svārstības, var izmantot elektronu ātruma anomālo atkarību no elektriskā lauka intensitātes dažos pusvadītāju savienojumos, galvenokārt gallija arsenīdā. Šajā gadījumā galveno lomu spēlē procesi, kas notiek lielākajā daļā pusvadītāju, nevis lpp - n- pāreja. Mikroviļņu svārstību ģenerēšana homogēnos GaAs paraugos n-tipu pie pastāvīga elektriskā lauka intensitātes virs sliekšņa vērtības pirmo reizi novēroja J. Gunns 1963. gadā (tāpēc šādas ierīces sauc par Gunna diodēm). Krievu literatūrā tos arī sauc ierīces ar tilpuma nestabilitāti vai ar intervāla elektronu pārnese, jo diožu aktīvās īpašības nosaka elektronu pāreja no “centrālās” enerģijas ielejas uz “malu”, kur tām raksturīga liela efektīvā masa un zema mobilitāte. Ārzemju literatūrā uzvārds atbilst terminam TED ( Pārsūtītā elektronu ierīce).

Vājā laukā elektronu kustīgums ir augsts un sasniedz 6000–8500 cm 2 /(Vs). Ja lauka intensitāte ir lielāka par 3,5 kV/cm, dažu elektronu pārejas dēļ uz “sānu” ieleju, pieaugot laukam, elektronu vidējais dreifēšanas ātrums samazinās. Diferenciālās mobilitātes moduļa lielākā vērtība krītošajā posmā ir aptuveni trīs reizes zemāka nekā mobilitāte vājos laukos. Pie lauka intensitātes virs 15–20 kV/cm vidējais elektronu ātrums ir gandrīz neatkarīgs no lauka un ir aptuveni 10 7 cm/s, tāpēc attiecība , un ātruma lauka raksturlielumu var aptuveni tuvināt, kā parādīts 1. attēlā. Negatīvās diferenciālās vadītspējas (NDC) noteikšanas laiks ir elektronu gāzes sildīšanas laika summa “centrālajā” ielejā (~10–12 s GaAs), ko nosaka enerģijas relaksācijas laika konstante un intervāla pārejas laiks ( ~5–10–14 s).

Varētu sagaidīt, ka raksturlieluma krītošas daļas klātbūtne NDC reģionā ar vienmērīgu elektriskā lauka sadalījumu pa vienmērīgi leģētu GaAs paraugu izraisītu krītošas sadaļas parādīšanos uz diodes strāvas sprieguma raksturlielumiem, jo caur diodi konvekcijas strāvas vērtība ir definēta kā , kur ; -šķērsgriezuma laukums; – parauga garums starp kontaktiem. Šajā sadaļā diodei būtu negatīva aktīvā vadītspēja, un to varētu izmantot, lai radītu un pastiprinātu tuneļa diodei līdzīgas svārstības. Tomēr praksē šāda režīma ieviešana pusvadītāju materiāla paraugā ar NDC ir apgrūtināta lauka un telpas lādiņa nestabilitātes dēļ. Kā parādīts 8.1. paragrāfā, kosmosa lādiņa svārstības šajā gadījumā izraisa telpas lādiņa palielināšanos saskaņā ar likumu.

kur ir dielektriskā relaksācijas konstante; – elektronu koncentrācija oriģinālā n-GaAs. Viendabīgā paraugā, kuram tiek pielikts pastāvīgs spriegums , lokāls elektronu koncentrācijas pieaugums noved pie negatīvi lādēta slāņa parādīšanās (2. att.), kas virzās gar paraugu no katoda uz anodu.

1. att. GaAs elektronu dreifēšanas ātruma aptuvenā atkarība no elektriskā lauka intensitātes.

2. att. Izskaidrot akumulācijas slāņa veidošanās procesu vienmērīgi leģētos GaAs.

Ar katodu mēs saprotam kontaktu ar paraugu, kuram tiek pielietots negatīvs potenciāls. Iekšējie elektriskie lauki, kas rodas šajā gadījumā, tiek uzlikti uz konstanta lauka, palielinot lauka intensitāti pa labi no slāņa un samazinot to pa kreisi (2. att., a). Elektronu ātrums pa labi no slāņa samazinās, un pa kreisi tas palielinās. Tas noved pie tālākas kustīgā akumulācijas slāņa pieauguma un atbilstošas lauka pārdales paraugā (2. att., b). Parasti pie katoda veidojas kosmosa lādiņa slānis, jo netālu no katoda omiskā kontakta atrodas reģions ar paaugstinātu elektronu koncentrāciju un zemu elektriskā lauka stiprumu. Svārstībām, kas rodas anoda kontakta tuvumā elektronu kustības dēļ pret anodu, nav laika attīstīties.

Taču šāds elektriskā lauka sadalījums ir nestabils un, ja paraugā ir neviendabīgums koncentrācijas, mobilitātes vai temperatūras lēcienu veidā, tas var pārveidoties par t.s. spēcīga lauka domēns. Elektriskā lauka intensitāte ir saistīta ar elektronu koncentrāciju ar Puasona vienādojumu, kuram viendimensijas gadījumā ir šāda forma

(1)

Elektriskā lauka palielināšanos daļā parauga pavadīs kosmosa lādiņa parādīšanās šīs zonas robežās, negatīva katoda pusē un pozitīva anoda pusē (3. att., a). Šajā gadījumā elektronu ātrums apgabala iekšpusē samazinās saskaņā ar 1. att. Elektroni no katoda puses panāks elektronus šajā zonā, kā rezultātā palielinās negatīvais lādiņš un veidojas elektroniem bagāts slānis. Elektroni no anoda puses virzīsies uz priekšu, kā rezultātā palielinās pozitīvais lādiņš un veidojas noplicināts slānis, kurā. Tas noved pie turpmāka lauka palielināšanās svārstību apgabalā, lādiņam virzoties uz anodu, un palielina telpas lādiņa dipola apgabalu. Ja diodei pielikto spriegumu uztur nemainīgu, tad dipola domēnam augot lauks ārpus tā samazināsies (3. att., b). Lauka pieaugums domēnā apstāsies, kad tā ātrums kļūs vienāds ar elektronu ātrumu ārpus domēna. Ir skaidrs, ka . Elektriskā lauka intensitāte ārpus domēna (3. att., c) būs zem sliekšņa intensitātes, kas padara neiespējamu elektronu intervāla pāreju ārpus domēna un cita domēna veidošanos, līdz izzudīs iepriekš izveidotā domēna. anods. Pēc stabila augsta lauka domēna veidošanās strāva caur diodi paliek nemainīga tās kustības laikā no katoda uz anodu.

3. att. Izskaidrot dipola domēna veidošanās procesu.

Pēc tam, kad domēns pazūd pie anoda, lauka stiprums paraugā palielinās, un, kad tas sasniedz vērtību, sākas jauna domēna veidošanās. Šajā gadījumā strāva sasniedz maksimālo vērtību, kas vienāda ar (4. att., c)

(2)

Šo Gunn diodes darbības režīmu sauc lidojuma režīms. Tranzīta režīmā strāva caur diodi sastāv no impulsiem, kas seko periodam . Diode rada mikroviļņu svārstības ar lidojuma frekvenci , ko galvenokārt nosaka parauga garums un vāji atkarīgs no slodzes (tieši šīs svārstības Gunns novēroja, pētot paraugus no GaAs un InP).

Elektroniskie procesi Gunn diodē jāapsver, ņemot vērā Puasona vienādojumus, nepārtrauktību un kopējo strāvas blīvumu, kam viendimensijas gadījumā ir šāda forma:

; (3)

. (4)

4. att. Gunn diodes ģeneratora (a) ekvivalentā ķēde un sprieguma (b) un strāvas atkarības no laika caur Gunna diodi tranzīta režīmā (c) un režīmos ar aizkavi (d) un domēna slāpēšanu (e).

Momentānais diodes spriegums. Kopējā strāva nav atkarīga no koordinātas un ir laika funkcija. Bieži tiek uzskatīts, ka difūzijas koeficients ir neatkarīgs no elektriskā lauka.

Atkarībā no diodes parametriem (materiāla dopinga pakāpes un profila, parauga garuma un šķērsgriezuma laukuma un tā temperatūras), kā arī no barošanas sprieguma un slodzes īpašībām Gunn diode, kā mikroviļņu ģenerators un pastiprinātājs, var darboties dažādos režīmos: domēna, ierobežojoša kosmosa lādiņa uzkrāšanās (ONZ, ārzemju literatūrā LSA – Limited Space Charge Accumulation), hibrīda, ceļojošie kosmosa lādiņa viļņi, negatīva vadītspēja.

Domēna darbības režīmi.

Gunn diodes domēna darbības režīmus raksturo izveidotā dipola domēna klātbūtne paraugā ievērojamā svārstību perioda daļā. Stacionāra dipola domēna raksturlielumi ir detalizēti aplūkoti [?], kur parādīts, ka no (1), (3) un (4) izriet, ka domēna ātrums un maksimālā lauka intensitāte tajā ir saistīti. vienādas platības noteikums

. (5)

Saskaņā ar (5) apgabali, kas iekrāsoti 5. attēlā a un ir ierobežoti ar līnijām, ir vienādi. Kā redzams attēlā, maksimālā lauka intensitāte domēnā ievērojami pārsniedz lauku ārpus domēna un var sasniegt vairākus desmitus kV/cm.

5. att. Lai noteiktu dipola domēna parametrus.

Attēlā 5, b parādīta domēna sprieguma atkarība uz elektriskā lauka intensitāti ārpus tā, kur ir domēna garums (3. att., c). Tur tika uzbūvēta diodes “instrumentu līnija” ar garumu pie noteikta sprieguma, ņemot vērā to, ka kopējais spriegums pāri diodei ir . Krustpunkts A nosaka domēna spriegumu un lauka intensitāti ārpus tā. Jāpatur prātā, ka domēns notiek pie pastāvīga sprieguma , tomēr tas var pastāvēt arī tad, kad domēna kustības laikā pret anodu spriegums uz diodes samazinās līdz vērtībai (punktēta līnija 5. att., b). Ja spriegums uz diodes tiek vēl vairāk samazināts tā, ka tas kļūst mazāks par domēna izdzišanas spriegumu, iegūtais domēns izzudīs. Slāpēšanas spriegums atbilst brīdim, kad “instrumenta taisne” pieskaras līnijai 5. att., b.

Tādējādi domēna izzušanas spriegums izrādās mazāks par domēna veidošanās sliekšņa spriegumu. Kā redzams no 5. att., sakarā ar domēna pārsprieguma kraso atkarību no lauka intensitātes ārpus domēna lauks ārpus domēna un domēna ātrums mainās maz, mainoties spriegumam uz diodes. Pārmērīgs spriegums tiek absorbēts galvenokārt domēnā. Jau plkst domēna ātrums tikai nedaudz atšķiras no piesātinājuma ātruma un to var aptuveni uzskatīt par , un tāpēc lidojuma frekvenci kā diodes raksturlielumu parasti nosaka ar izteiksmi:

(6)

Domēna garums ir atkarīgs no donora piemaisījuma koncentrācijas, kā arī no sprieguma uz diodes un ir 5–10 μm. Piemaisījumu koncentrācijas samazināšanās izraisa domēna paplašināšanos, jo palielinās noplicināšanas slānis. Domēna veidošanās notiek ierobežotā laikā un ir saistīta ar negatīvas diferenciālās vadītspējas izveidi un telpas lādiņa palielināšanos. Telpas lādiņa pieauguma laika konstante mazas perturbācijas režīmā ir vienāda ar dielektriskās relaksācijas konstanti, un to nosaka negatīvā diferenciālā kustība un elektronu koncentrācija. Pie maksimālās vērtības, savukārt ODP izveides laiks ir mazāks. Tādējādi domēna veidošanās laiku lielā mērā nosaka telpas lādiņu pārdales process. Tas ir atkarīgs no sākotnējā lauka neviendabīguma, dopinga līmeņa un pielietotā sprieguma.

6. att. Gunn diode.

Aptuveni tiek uzskatīts, ka domēnam būs laiks pilnībā izveidoties šādā laikā:

kur ir izteikts . Par domēna režīmiem ir jēga runāt tikai tad, ja domēnam ir laiks izveidoties elektronu lidojuma laikā paraugā. Tādējādi dipola domēna pastāvēšanas nosacījums ir vai nu .

Tiek saukts elektronu koncentrācijas un parauga garuma reizinājums kritisks un apzīmē . Šī vērtība ir robeža starp Gunn diodes domēna režīmiem un režīmiem ar stabilu elektriskā lauka sadalījumu vienmērīgi leģētā paraugā. Ja spēcīga lauka domēns nav izveidots, paraugs tiek izsaukts stabils. Ir iespējami dažādi domēna režīmi. Tipa kritērijs ir derīgs, stingri ņemot, tikai konstrukcijām, kurās aktīvā slāņa garums starp katodu un anodu ir daudz mazāks par šķērseniskajiem izmēriem: (6. att., a), kas atbilst viendimensijas problēmai. un ir raksturīga plakanām un mezastruktūrām. Plānās kārtiņas struktūrām (6. att., b) ir epitaksiāli aktīvais GaAs slānis 1 garums var atrasties starp augstas pretestības substrātu 3 un izolācijas dielektriskā plēve 2 izgatavots, piemēram, no SiO 2. Ohmiskie anoda un katoda kontakti tiek ražoti, izmantojot fotolitogrāfijas metodes. Diodes šķērsvirziena izmērs var būt salīdzināms ar tā garumu. Šajā gadījumā domēna veidošanās laikā izveidotie telpas lādiņi rada iekšējos elektriskos laukus, kuriem ir ne tikai gareniskā, bet arī šķērskomponente (6. att., c). Tas noved pie lauka samazināšanās salīdzinājumā ar viendimensionālu problēmu. Ja aktīvās plēves biezums ir mazs, kad , domēna nestabilitātes neesamības kritērijs tiek aizstāts ar nosacījumu . Šādām konstrukcijām ar stabilu elektriskā lauka sadalījumu tas var būt lielāks.

Domēna veidošanās laiks nedrīkst pārsniegt mikroviļņu svārstību pusciklu. Tāpēc ir otrs kustīga domēna pastāvēšanas nosacījums, no kura, ņemot vērā (1), mēs iegūstam .

Atkarībā no lidojuma laika un mikroviļņu svārstību perioda attiecības, kā arī no pastāvīgā sprieguma vērtībām un augstfrekvences sprieguma amplitūdas var realizēt šādus domēna režīmus: lidojums-of- lidojums, režīms ar domēna aizkavi, režīms ar domēna nomākšanu (dzēšanu). Apskatīsim šajos režīmos notiekošos procesus gadījumā, ja Gunn diode darbojas uz slodzes paralēlas oscilācijas ķēdes veidā ar aktīvo pretestību rezonanses frekvencē un diode tiek darbināta no sprieguma ģeneratora ar zemu iekšējo pretestību (sk. 4.a att.). Šajā gadījumā spriegums uz diodes mainās saskaņā ar sinusoidālo likumu. Ģenerēšana iespējama plkst.

Pie zemas slodzes pretestības, kad , kur – Gunn diodes pretestība vājos laukos, augstfrekvences sprieguma amplitūda ir maza un momentānais spriegums uz diodes pārsniedz sliekšņa vērtību (sk. 4.b att., 1. līkne). Šeit notiek iepriekš aplūkotais tranzīta režīms, kad pēc domēna izveidošanas strāva caur diodi paliek nemainīga un vienāda (sk. 9.39. att., c). Kad domēns pazūd, strāva palielinās līdz . GaAs. Svārstību biežums lidojuma režīmā ir vienāds ar . Tā kā attiecība ir maza, efektivitāte Gunn diodes ģeneratoru skaits, kas darbojas tranzīta režīmā, ir neliels, un šim režīmam parasti nav praktiskas pielietošanas.

Kad diode darbojas ķēdē ar lielu pretestību, kad , maiņstrāvas sprieguma amplitūda var būt diezgan liela, tā ka kādā perioda daļā momentānais spriegums uz diodes kļūst mazāks par slieksni (atbilst 2. līknei attēlā. 4b). Šajā gadījumā viņi runā par režīms ar aizkavēšanos domēna veidošanā. Domēns veidojas, kad spriegums uz diodes pārsniedz slieksni, t.i., laika momentā (skat. 4. att., d). Pēc domēna izveidošanās diodes strāva samazinās līdz un tāda paliek domēna lidojuma laikā. Kad domēns kādā brīdī pazūd uz anoda, spriegums uz diodes ir mazāks par slieksni un diode ir aktīva pretestība. Strāvas izmaiņas ir proporcionālas spriegumam pāri diodei līdz brīdim, kad strāva sasniedz maksimālo vērtību un spriegums pāri diodei ir vienāds ar slieksni. Sākas jauna domēna veidošanās, un viss process atkārtojas. Pašreizējā impulsa ilgums ir vienāds ar jauna domēna veidošanās aizkaves laiku. Domēna veidošanas laiks tiek uzskatīts par mazu, salīdzinot ar un . Acīmredzot šāds režīms ir iespējams, ja lidojuma laiks ir robežās un radīto svārstību biežums ir .

Ar vēl lielāku augstfrekvences sprieguma amplitūdu, kas atbilst līknei 3 4.b attēlā minimālais spriegums uz diodes var būt mazāks par diodes dzēšanas spriegumu. režīms ar domēna nomākšanu(sk. 4. att., d). Domēns veidojas noteiktā brīdī un izšķīst brīdī, kad sāk veidoties jauns domēns pēc tam, kad spriegums pārsniedz sliekšņa vērtību. Tā kā domēna izzušana nav saistīta ar tā sasniegšanu līdz anodam, elektronu lidojuma laiks starp katodu un anodu domēna dzēšanas režīmā var pārsniegt svārstību periodu: . Tādējādi amortizācijas režīmā. Ģenerēto frekvenču augšējo robežu ierobežo nosacījums, un tā var būt .

Elektroniskā efektivitāte ģeneratorus, kuru pamatā ir Gunn diodes, kas darbojas domēna režīmos, var noteikt, paplašinot strāvas funkciju Furjē sērijā (sk. 4. att.), lai atrastu pirmās harmonikas un līdzstrāvas komponentes amplitūdu. Efektivitātes vērtība ir atkarīgs no attiecībām , , , un pie optimālās vērtības nepārsniedz 6% GaAs diodēm domēna aizkaves režīmā. Elektroniskā efektivitāte domēna dzēšanas režīmā ir mazāks nekā domēna aizkavēšanas režīmā.

ONOZ režīms.

Nedaudz vēlāk domēna režīmi tika ierosināti un ieviesti Gunn diodēm telpas lādiņa uzkrāšanās ierobežošanas režīms. Tas pastāv pie nemainīga sprieguma uz diodes, kas vairākas reizes pārsniedz sliekšņa vērtību, un lielām sprieguma amplitūdām frekvencēs, kas vairākas reizes pārsniedz lidojuma frekvenci. Lai ieviestu ONOS režīmu, ir nepieciešamas diodes ar ļoti vienotu dopinga profilu. Vienmērīgs elektriskā lauka un elektronu koncentrācijas sadalījums visā parauga garumā tiek nodrošināts, pateicoties lielajam sprieguma izmaiņu ātrumam pāri diodei. Ja laika periods, kurā elektriskā lauka intensitāte iet cauri NDC raksturlieluma apgabalam, ir daudz mazāks par domēna veidošanās laiku, tad nav manāma lauka un telpas lādiņa pārdales visā diodes garumā. Elektronu ātrums visā paraugā “seko” elektriskā lauka izmaiņām, un strāvu caur diodi nosaka ātruma atkarība no lauka (7. att.).

Tādējādi ONOS režīmā tiek izmantota diodes negatīvā vadītspēja, lai pārveidotu strāvas avota enerģiju mikroviļņu svārstību enerģijā. Šajā režīmā daļā svārstību perioda spriegums uz diodes paliek mazāks par slieksni un paraugs atrodas stāvoklī, ko raksturo pozitīva elektronu kustīgums, t.i., telpas lādiņš, kas paguva izveidoties laikā, kad elektriskā lauks diodē bija virs sliekšņa, ir izšķīdis.

Veidlapā mēs aptuveni ierakstīsim nosacījumu vājam uzlādes pieaugumam laika gaitā , Kur ; ir negatīvās diferenciālās elektronu mobilitātes vidējā vērtība reģionā. Telpas lādiņa rezorbcija laikā būs efektīva, ja un kur ; un – dielektriskās relaksācijas laika konstante un elektronu kustīgums vājā laukā.

Skaitīšana , , mums ir . Šī nevienlīdzība nosaka vērtību diapazonu, kurā tiek ieviests ONZ režīms.

Gunn diodes ģeneratora elektronisko efektivitāti ONOS režīmā var aprēķināt pēc pašreizējās formas (7. att.). Plkst Maksimālā efektivitāte ir 17%.

7. att. Strāvas laika atkarība no Gunn diodes ONOS režīmā.

Domēna režīmos radīto svārstību biežums ir aptuveni vienāds ar lidojuma frekvenci. Tāpēc Gunn diožu garums, kas darbojas domēna režīmos, ir saistīts ar darbības frekvenču diapazonu ar izteiksmi

kur ir izteikts GHz, un – mikronos. ONOS režīmā diodes garums nav atkarīgs no darba frekvences un var būt daudzkārt lielāks par diožu garumu, kas darbojas vienādās frekvencēs domēna režīmos. Tas ļauj ievērojami palielināt ģeneratoru jaudu ONO režīmā, salīdzinot ar ģeneratoriem, kas darbojas domēna režīmos.

Aplūkotie procesi Gunn diodē domēna režīmos būtībā ir idealizēti, jo tie tiek realizēti salīdzinoši zemās frekvencēs (1–3 GHz), kur svārstību periods ir ievērojami mazāks par domēna veidošanās laiku un diodes garums ir daudz lielāks nekā domēna garums parastajos dopinga līmeņos . Visbiežāk nepārtraukto viļņu Gunn diodes tiek izmantotas augstākās frekvencēs tā sauktajos hibrīdrežīmos. Hibrīdie režīmi Gunn diožu darbība ir starpposms starp ONOS un domēna režīmiem. Hibrīdiem režīmiem raksturīgi, ka domēna veidošanās aizņem lielāko daļu svārstību perioda. Nepilnīgi izveidots domēns izzūd, kad momentānais spriegums pāri diodei samazinās līdz vērtībām zem sliekšņa. Elektriskā lauka stiprums ārpus pieaugošā telpas lādiņa apgabala parasti paliek lielāks par slieksni. Diodē notiekošie procesi hibrīdrežīmā tiek analizēti, izmantojot datoru, izmantojot vienādojumus (1), (3) un (4). Hibrīdrežīmi aizņem plašu vērtību diapazonu un nav tik jutīgi pret ķēdes parametriem kā ONOZ režīms.

Gunn diodes ONOS režīms un hibrīdie darbības režīmi tiek klasificēti kā “cietie” pašiedvesmas režīmi, kurus raksturo negatīvās elektroniskās vadītspējas atkarība no augstfrekvences sprieguma amplitūdas. Ģeneratora ieslēgšana hibrīdrežīmā (kā arī ONOZ režīmā) ir sarežģīts uzdevums, un to parasti veic, secīgi pārslēdzot diode no tranzīta režīma uz hibrīda režīmu.

8. att. GaAs Gunn diožu ģeneratoru elektroniskā efektivitāte dažādiem darbības režīmiem:

1 – ar domēna veidošanās aizkavi

2 — ar domēna nomākšanu

9. att. Gunn diodes sprieguma (a) un strāvas (b) atkarība no laika augstas efektivitātes režīmā.

3-hibrīds

Uz Gunn diodēm balstītu ģeneratoru konstrukcijas un parametri.

8. attēlā parādītas maksimālās elektroniskās efektivitātes vērtības. GaAs Gunn diode dažādos darbības režīmos. Var redzēt, ka vērtības nepārsniedz 20%. Palielināt efektivitāti ģeneratori, kuru pamatā ir Gunn diodes, ir iespējams, izmantojot sarežģītākas svārstību sistēmas, kas ļauj nodrošināt strāvas un sprieguma laika atkarības no diodes, kas parādīts 9. att. Funkciju paplašināšana un Furjē sērijā plkst un nodrošina GaAs Gunn diodēm elektroniskās efektivitātes vērtības 25%. Diezgan labu tuvinājumu optimālajai līknei iegūst, izmantojot otro sprieguma harmoniku. Vēl viens veids, kā palielināt efektivitāti sastāv no materiālu izmantošanas ar augstu attiecību Gunn diodēs. Tādējādi indija fosfīdam tas sasniedz 3,5, kas palielina diožu teorētisko elektronisko efektivitāti līdz 40%.

Jāpatur prātā, ka elektroniskā efektivitāte ģeneratori, kuru pamatā ir Gunn diodes, samazinās pie augstām frekvencēm, kad svārstību periods kļūst samērīgs ar NDC izveidošanas laiku (tas izpaužas jau pie frekvencēm ~30 GHz). To procesu inerce, kas nosaka elektronu vidējā dreifa ātruma atkarību no lauka, noved pie diodes strāvas pretfāzes komponentes samazināšanās. Ar šo parādību saistīto Gunn diožu ierobežojošās frekvences tiek lēstas ~ 100 GHz GaAs ierīcēm un 150–300 GHz InP ierīcēm.

Gunn diožu izejas jaudu ierobežo elektriskie un termiskie procesi. Pēdējā ietekme noved pie maksimālās jaudas atkarības no frekvences formā , kur konstanti nosaka pieļaujamā konstrukcijas pārkaršana, materiāla termiskās īpašības un elektroniskā efektivitāte. un diodes ietilpība. Elektriskā režīma ierobežojumi ir saistīti ar faktu, ka pie lielas izejas jaudas svārstību amplitūda izrādās samērīga ar pastāvīgo diodes spriegumu: .

Domēna režīmos tāpēc saskaņā ar mums ir:

kur ir ekvivalentā slodzes pretestība, pārrēķināta uz diodes spailēm un vienāda ar LPD aktīvās negatīvās pretestības moduli.

Maksimālais elektriskā lauka stiprums domēnā ievērojami pārsniedz vidējo lauka vērtību diodē, tajā pašā laikā tam jābūt mazākam par pārrāvuma stiprumu, pie kura notiek materiāla lavīnas sadalīšanās (GaAs ). Parasti par pieļaujamo elektriskā lauka vērtību uzskata .

Tāpat kā ar LPD, salīdzinoši zemās frekvencēs (centimetru viļņa garuma diapazonā) Gunn diožu maksimālo izejas jaudu nosaka termiskie efekti. Milimetru diapazonā domēna režīmos strādājošo diožu aktīvā apgabala biezums kļūst mazs un dominē elektriskie ierobežojumi. Nepārtrauktā režīmā trīs centimetru diapazonā no vienas diodes var iegūt 1–2 W jaudu ar efektivitāti līdz 14%; frekvencēs 60–100 GHz – līdz 100 WW ar dažu procentu efektivitāti. Gunn diodes ģeneratoriem ir raksturīgs ievērojami zemākas frekvences troksnis nekā LPD ģeneratoriem.

ONOZ režīmu raksturo daudz vienmērīgāks elektriskā lauka sadalījums. Turklāt šajā režīmā strādājošās diodes garums var būt ievērojams. Tāpēc diodes mikroviļņu sprieguma amplitūda ONOS režīmā var būt par 1–2 kārtām augstāka nekā spriegums domēna režīmos. Tādējādi Gunn diožu izejas jaudu ONOS režīmā var palielināt par vairākām kārtām, salīdzinot ar domēna režīmiem. ONOZ režīmam priekšplānā izvirzās termiskie ierobežojumi. Gunn diodes ONOS režīmā visbiežāk darbojas impulsa režīmā ar augstu darba ciklu un ģenerē jaudu līdz vairākiem kilovatiem centimetru viļņa garuma diapazonā.

Uz Gunn diodēm balstīto ģeneratoru frekvenci galvenokārt nosaka svārstību sistēmas rezonanses frekvence, ņemot vērā diodes kapacitatīvo vadītspēju, un to var noregulēt plašā diapazonā ar mehāniskām un elektriskām metodēm.

Viļņvada ģeneratorā(10. att., a) Gunn diode 1 uzstādīts starp taisnstūra viļņvada platajām sienām metāla stieņa galā. Nobīdes spriegums tiek piegādāts caur induktora ieeju 2 , kas izgatavots ceturkšņa viļņu koaksiālo līniju sekciju veidā un kalpo, lai novērstu mikroviļņu svārstību iekļūšanu strāvas avota ķēdē. Zema Q rezonatoru veido diodes stiprinājuma elementi viļņvadā. Ģeneratora frekvence tiek noregulēta, izmantojot varaktora diodi 3 , kas atrodas pusviļņa garuma attālumā un ir uzstādīts viļņvadā līdzīgi kā Gunn diodei. Bieži vien diodes ir iekļautas samazināta augstuma viļņvadā, kas ir savienots ar standarta sekcijas izejas viļņvadu ar ceturtdaļas viļņa transformatoru.

10. att. Uz Gunn diodēm balstītu ģeneratoru dizains:

a-viļņvads; b – mikrosloksne; c – ar YIG sfēras frekvences regulēšanu

Mikrosloksnes dizainā(10. att., b) diode 1 savienots starp pamatni un sloksnes vadītāju. Frekvences stabilizēšanai tiek izmantots augstas kvalitātes dielektriskais rezonators 4 diska veidā, kas izgatavots no dielektriķa ar zemiem zudumiem un lielu vērtību (piemēram, bārija titanāts), kas atrodas netālu no MPL sloksnes vadītāja ar platumu . Kondensators 5 kalpo, lai atdalītu strāvas ķēdes un mikroviļņu ceļu. Barošanas spriegums tiek piegādāts caur induktora ķēdi 2 , kas sastāv no diviem MPL ceturkšņa viļņu segmentiem ar dažādu viļņu pretestību, un līnija ar zemu pretestību ir atvērta. Dielektrisko rezonatoru izmantošana ar pozitīvu temperatūras frekvences koeficientu ļauj izveidot oscilatorus ar nelielām frekvences nobīdēm, mainoties temperatūrai (~40 kHz/°C).

Frekvences regulējami ģeneratori uz Gunn diodes var konstruēt, izmantojot itrija dzelzs granāta monokristālus (10. att., c). Ģeneratora frekvence šajā gadījumā mainās, pateicoties augstas kvalitātes rezonatora rezonanses frekvences regulēšanai, kam ir maza diametra YIG sfēra, mainoties magnētiskajam laukam. Maksimālā regulēšana tiek panākta neiepakotās diodēs, kurām ir minimāli reaktīvie parametri. Augstas frekvences diodes ķēde sastāv no īsa pagrieziena, kas aptver YIG sfēru 6 . Diodes ķēdes savienojums ar slodzes ķēdi tiek veikts, pateicoties savstarpējai induktivitātei, ko nodrošina YIG sfēra un ortogonāli izvietoti savienojuma pagriezieni. Šādu automātiskajās mērierīcēs plaši izmantoto ģeneratoru elektriskās regulēšanas diapazons sasniedz oktāvu ar izejas jaudu 10–20 mW.

11. att. Gunn diodes vispārinātā ekvivalentā ķēde.

Pastiprinātāji, kuru pamatā ir Gunn diodes.

Lielu interesi rada uz Gunn diodēm balstītu pastiprinātāju izstrāde, jo īpaši attiecībā uz milimetru viļņu garuma diapazonu, kur mikroviļņu tranzistoru izmantošana ir ierobežota. Būtisks uzdevums, veidojot uz Gunn diodēm balstītus pastiprinātājus, ir nodrošināt to darbības stabilitāti (diodes stabilizāciju) un, galvenais, nomākt mazo signālu domēna tipa svārstības. To var panākt, ierobežojot diodes parametru, noslogojot diode ar ārējo ķēdi, izvēloties diodes dopinga profilu, samazinot šķērsgriezumu vai uzliekot paraugam dielektrisku plēvi. Kā pastiprinātāji tiek izmantotas gan plakanās, gan mezastruktūras diodes, kurām ir negatīva vadītspēja pie spriegumiem virs sliekšņa plašā frekvenču diapazonā tuvu lidojuma frekvencei un tiek izmantoti kā reģeneratīvi atstarojošie pastiprinātāji ar cirkulatoru ieejā, kā arī sarežģītākas plēves struktūras. kas izmanto viļņu augšanas telpas lādiņa fenomenu materiālā ar NDP, ko bieži sauc plānslāņa ceļojošo viļņu pastiprinātāji(UBV).

Subkritiski leģētās diodēs plkst darbības domēna veidošanās nav iespējama pat pie sprieguma, kas pārsniedz slieksni. Kā liecina aprēķini, subkritiskajām diodēm ir raksturīga negatīva ekvivalenta pretestība frekvencēs, kas ir tuvu lidojuma frekvencei, pie sprieguma, kas pārsniedz slieksni. Tos var izmantot atstarojošos pastiprinātājos. Tomēr to zemā dinamiskā diapazona un pastiprinājuma dēļ to izmantošana ir ierobežota.

Stabila negatīva vadītspēja plašā frekvenču diapazonā, sasniedzot 40%, tiek realizēta diodēs ar pie īsa diodes garuma (~8–15 µm) un spriegumiem . Pie zemākiem spriegumiem tiek novērota ģenerēšana, kuras sabrukums, palielinoties spriegumam, ir izskaidrojams ar materiāla NDC samazināšanos, palielinoties ierīces temperatūrai.

Vienmērīgu elektriskā lauka sadalījumu visā diodes garumā un stabilu pastiprinājumu plašā frekvenču joslā var iegūt nevienmērīgas parauga dopinga dēļ (12. att., a). Ja katoda tuvumā ir šaurs, viegli leģēts slānis, kura garums ir aptuveni 1 μm, tad tas ierobežo elektronu iesmidzināšanu no katoda un izraisa strauju elektriskā lauka palielināšanos. Piemaisījumu koncentrācijas palielināšana visā parauga garumā pret anodu diapazonā no līdz ļauj panākt elektriskā lauka vienmērīgumu. Procesi diodēs ar šo profilu parasti tiek aprēķināti datorā.

12. att. Dopinga profils (a) un lauka sadalījums (b) Gunn diodē ar augstas pretestības katoda apgabalu.

Aplūkotajiem pastiprinātāju veidiem ir raksturīgs plašs dinamiskais diapazons, 2–3% efektivitāte un ~10 dB trokšņa rādītājs centimetru viļņu garuma diapazonā.

Notiek plānslāņa ceļojošo viļņu pastiprinātāju izstrāde (13. att.), kas nodrošina vienvirziena pastiprināšanu plašā frekvenču joslā un neprasa izmantot atsaistes cirkulācijas sūkņus. Pastiprinātājs ir epitaksiāls GaAs slānis 2 biezs (2–15 µm), audzēts uz substrāta ar augstu pretestību 1 . Ohmiskā katoda un anoda kontakti atrodas attālumā viens no otra un nodrošina elektronu dreifēšanu gar plēvi, kad tiem tiek pielikts pastāvīgs spriegums. Divi kontakti 3 Šotkija barjeras veidā ar platumu 1–5 μm tos izmanto, lai ievadītu un izvadītu mikroviļņu signālu no ierīces. Ieejas signāls, kas tiek piegādāts starp katodu un pirmo Šotkija kontaktu, elektronu plūsmā ierosina kosmosa lādiņa vilni, kura amplitūda mainās, virzoties uz anodu ar fāzes ātrumu .

13. att. GaAs plānslāņa ceļojošo viļņu pastiprinātāja diagramma ar garenisko novirzi

Lai pastiprinātājs darbotos, ir jānodrošina plēves vienmērīgums un elektriskā lauka viendabīgums visā ierīces garumā. BW nobīdes spriegums atrodas GaAs NDC reģionā, t.i., plkst . Šajā gadījumā kosmosa lādiņa vilnis aug, pārvietojoties pa plēvi. Stabils, vienmērīgs elektriskā lauka sadalījums UWV tiek panākts, izmantojot maza biezuma plēves un pārklājot GaAs plēvi ar dielektriķi ar lielu vērtību.

Elektronu kustības pamatvienādojumu pielietošana viendimensionālajam gadījumam (1), (3), (4) un mazā signāla režīmam, kad konvekcijas strāvas, elektriskā lauka stipruma un lādiņa blīvuma konstantās sastāvdaļas ir daudz lielākas par mainīgo komponentu amplitūda (), noved pie dispersijas vienādojuma pastāvīgai izplatībai, kuram ir risinājums divu viļņu formā.

Viens no tiem ir tiešs vilnis, kas izplatās gar plēvi no katoda uz anodu ar fāzes ātrumu , un tā amplitūda mainās atkarībā no likuma:

kur ir elektronu kustības laiks no ierīces ieejas. Strādājot ODP reģionā, palielinās arī tiešais vilnis. Otrais vilnis ir apgriezts, izplatās no anoda uz katodu un vājina amplitūdu kā . GaAs difūzijas koeficients ir , tāpēc reversais vilnis ātri sabrūk. No (9) ierīces pastiprinājums ir (dB)

(10)

Aprēķins līdz (10) plkst Un dod pastiprinājumu 0,3–3 dB/µm. Jāpatur prātā, ka izteiksme (10) būtībā ir kvalitatīva. Tās tieša izmantošana, lai aprēķinātu augošos kosmosa lādiņa viļņus, var radīt kļūdas, jo mazam plēves biezumam ir spēcīga robežnosacījumu ietekme, jo problēma ir jāuzskata par divdimensiju. Jāņem vērā arī elektronu difūzija, ierobežojot frekvenču diapazonu, kurā iespējama pastiprināšana. Aprēķini apstiprina iespēju iegūt ~0,5–1 dB/μm pastiprinājumu UWV frekvencēs 10 GHz vai vairāk. Šādas ierīces var izmantot arī kā vadāmus fāzes pārslēdzējus un mikroviļņu aizkaves līnijas.

[L]. Berezin et al. Mikroviļņu elektroniskās ierīces. – M. Augstskola 1985.g.

Krievijas Federācijas Izglītības ministrija

Oriolas Valsts tehniskā universitāte

Fizikas katedra KOPSAVILKUMS

par tēmu: "Guna efekts un tā izmantošana diodēs, kas darbojas ģeneratora režīmā."

Disciplīna: “Mikroelektronikas fiziskie pamati”

Aizpilda 3.–4.grupas skolēns
Senatorovs D.G.

Pārraugs:

Ērglis. 2000. gads

Guna efekts un tā izmantošana diodēs, kas darbojas ģeneratora režīmā.

Lai pastiprinātu un radītu mikroviļņu svārstības, var izmantot elektronu ātruma anomālo atkarību no elektriskā lauka intensitātes dažos pusvadītāju savienojumos, galvenokārt gallija arsenīdā. Šajā gadījumā galveno lomu spēlē procesi, kas notiek lielākajā daļā pusvadītāju, nevis p-n krustojumā. Mikroviļņu svārstību rašanos viendabīgos n-tipa GaAs paraugos pie nemainīga elektriskā lauka intensitātes virs sliekšņa vērtības pirmo reizi J. Gunns novēroja 1963. gadā (tādēļ šādas ierīces sauc par Gunna diodēm). Iekšzemes literatūrā tās sauc arī par ierīcēm ar tilpuma nestabilitāti vai ar intervāla elektronu pārnesi, jo diožu aktīvās īpašības nosaka elektronu pāreja no “centrālās” enerģijas ielejas uz “malu”, kur tās raksturo: liela efektīvā masa un zema mobilitāte. Ārzemju literatūrā pēdējais nosaukums atbilst terminam TED (Transferred Electron Device).

kur ir dielektriskā relaksācijas konstante; – elektronu koncentrācija sākotnējā n-GaAs. Viendabīgā paraugā, kuram tiek pielikts pastāvīgs spriegums , lokāls elektronu koncentrācijas pieaugums noved pie negatīvi lādēta slāņa parādīšanās (2. att.), kas virzās gar paraugu no katoda uz anodu.

1. att. GaAs elektronu dreifēšanas ātruma aptuvenā atkarība no elektriskā lauka intensitātes.

2. att. Izskaidrot akumulācijas slāņa veidošanās procesu vienmērīgi leģētos GaAs.

Tomēr šāds elektriskā lauka sadalījums ir nestabils un, ja paraugā ir neviendabība koncentrācijas, mobilitātes vai temperatūras lēcienu veidā, tas var pārveidoties par tā saukto stiprā lauka domēnu. Elektriskā lauka intensitāte ir saistīta ar elektronu koncentrāciju ar Puasona vienādojumu, kuram viendimensijas gadījumā ir šāda forma

(1)

3. att. Izskaidrot dipola domēna veidošanās procesu.

(2)

Šo Gunn diodes darbības režīmu sauc par tranzīta režīmu. Tranzīta režīmā strāva caur diodi sastāv no impulsiem, kas seko periodam . Diode rada mikroviļņu svārstības ar lidojuma frekvenci , ko galvenokārt nosaka parauga garums un vāji atkarīgs no slodzes (tieši šīs svārstības Gunns novēroja, pētot paraugus no GaAs un InP).

Elektroniskie procesi Gunn diodē jāapsver, ņemot vērā Puasona vienādojumus, nepārtrauktību un kopējo strāvas blīvumu, kam viendimensijas gadījumā ir šāda forma:

; (3)

. (4)

Momentānais diodes spriegums. Kopējā strāva nav atkarīga no koordinātas un ir laika funkcija. Bieži tiek uzskatīts, ka difūzijas koeficients ir neatkarīgs no elektriskā lauka.

Domēna darbības režīmi.

. (5)

5. att. Lai noteiktu dipola domēna parametrus.

Attēlā 5, b parādīta domēna sprieguma atkarība uz elektriskā lauka intensitāti ārpus tā, kur ir domēna garums (3. att., c). Tur tika uzbūvēta diodes “instrumentu līnija” ar garumu pie noteikta sprieguma, ņemot vērā to, ka kopējais spriegums pāri diodei ir . Krustošanās punkts A nosaka domēna spriegumu un lauka intensitāti ārpus tā. Jāpatur prātā, ka domēns notiek pie pastāvīga sprieguma , tomēr tas var pastāvēt arī tad, kad domēna kustības laikā pret anodu spriegums uz diodes samazinās līdz vērtībai (punktēta līnija 5. att., b). Ja spriegums uz diodes tiek vēl vairāk samazināts tā, ka tas kļūst mazāks par domēna izdzišanas spriegumu, iegūtais domēns izzudīs. Slāpēšanas spriegums atbilst brīdim, kad “instrumenta taisne” pieskaras līnijai 5. att., b.

(6)

6. att. Gunn diode.

Aptuveni tiek uzskatīts, ka domēnam būs laiks pilnībā izveidoties šādā laikā:

Elektronu koncentrācijas un parauga garuma reizinājuma vērtību sauc par kritisko un apzīmē . Šī vērtība ir robeža starp Gunn diodes domēna režīmiem un režīmiem ar stabilu elektriskā lauka sadalījumu vienmērīgi leģētā paraugā. Ja spēcīga lauka domēns nav izveidots, paraugu sauc par stabilu. Ir iespējami dažādi domēna režīmi. Tipa kritērijs ir derīgs, stingri ņemot, tikai konstrukcijām, kurās aktīvā slāņa garums starp katodu un anodu ir daudz mazāks par šķērseniskajiem izmēriem: (6. att., a), kas atbilst viendimensijas problēmai. un ir raksturīga plakanām un mezastruktūrām. Plānkārtiņu konstrukcijām (6. att., b) epitaksiāli aktīvs GaAs slānis 1 garumā var atrasties starp augstas pretestības substrātu 3 un izolējošu dielektrisku plēvi 2, kas izgatavota, piemēram, no SiO 2. Ohmiskie anoda un katoda kontakti tiek ražoti, izmantojot fotolitogrāfijas metodes. Diodes šķērsvirziena izmērs var būt salīdzināms ar tā garumu. Šajā gadījumā domēna veidošanās laikā izveidotie telpas lādiņi rada iekšējos elektriskos laukus, kuriem ir ne tikai gareniskā, bet arī šķērskomponente (6. att., c). Tas noved pie lauka samazināšanās salīdzinājumā ar viendimensionālu problēmu. Ja aktīvās plēves biezums ir mazs, kad , domēna nestabilitātes neesamības kritērijs tiek aizstāts ar nosacījumu . Šādām konstrukcijām ar stabilu elektriskā lauka sadalījumu tas var būt lielāks.

Domēna veidošanās laiks nedrīkst pārsniegt mikroviļņu svārstību pusciklu. Tāpēc ir otrs kustīga domēna pastāvēšanas nosacījums, no kura, ņemot vērā (1), mēs iegūstam .

Kad diode darbojas ķēdē ar lielu pretestību, kad , maiņstrāvas sprieguma amplitūda var būt diezgan liela, tā ka kādā perioda daļā momentānais spriegums uz diodes kļūst mazāks par slieksni (atbilst 2. līknei attēlā. 4b). Šajā gadījumā mēs runājam par režīmu ar aizkavēšanos domēna veidošanā. Domēns veidojas, kad spriegums uz diodes pārsniedz slieksni, t.i., laika momentā (skat. 4. att., d). Pēc domēna izveidošanās diodes strāva samazinās līdz un tāda paliek domēna lidojuma laikā. Kad domēns kādā brīdī pazūd uz anoda, spriegums uz diodes ir mazāks par slieksni un diode ir aktīva pretestība. Strāvas izmaiņas ir proporcionālas spriegumam pāri diodei līdz brīdim, kad strāva sasniedz maksimālo vērtību un spriegums pāri diodei ir vienāds ar slieksni. Sākas jauna domēna veidošanās, un viss process atkārtojas. Pašreizējā impulsa ilgums ir vienāds ar jauna domēna veidošanās aizkaves laiku. Domēna veidošanas laiks tiek uzskatīts par mazu, salīdzinot ar un . Acīmredzot šāds režīms ir iespējams, ja lidojuma laiks ir robežās un radīto svārstību biežums ir .

Ar vēl lielāku augstfrekvences sprieguma amplitūdu, kas atbilst līknei 3 4.b attēlā, minimālais spriegums uz diodes var būt mazāks par diodes slāpēšanas spriegumu. Šajā gadījumā notiek režīms ar domēna slāpēšanu (sk. 4d). Domēns veidojas noteiktā brīdī un izšķīst brīdī, kad sāk veidoties jauns domēns pēc tam, kad spriegums pārsniedz sliekšņa vērtību. Tā kā domēna izzušana nav saistīta ar tā sasniegšanu līdz anodam, elektronu lidojuma laiks starp katodu un anodu domēna dzēšanas režīmā var pārsniegt svārstību periodu: . Tādējādi amortizācijas režīmā. Ģenerēto frekvenču augšējo robežu ierobežo nosacījums, un tā var būt .

ONOZ režīms.

Nedaudz vēlāk nekā domēna režīmi, Gunn diodēm tika ierosināts un ieviests kosmosa lādiņa uzkrāšanas ierobežošanas režīms. Tas pastāv pie nemainīga sprieguma uz diodes, kas vairākas reizes pārsniedz sliekšņa vērtību, un lielām sprieguma amplitūdām frekvencēs, kas vairākas reizes pārsniedz lidojuma frekvenci. Lai ieviestu ONOS režīmu, ir nepieciešamas diodes ar ļoti vienotu dopinga profilu. Vienmērīgs elektriskā lauka un elektronu koncentrācijas sadalījums visā parauga garumā tiek nodrošināts, pateicoties lielajam sprieguma izmaiņu ātrumam pāri diodei. Ja laika periods, kurā elektriskā lauka intensitāte iet cauri NDC raksturlieluma apgabalam, ir daudz mazāks par domēna veidošanās laiku, tad nav manāma lauka un telpas lādiņa pārdales visā diodes garumā. Elektronu ātrums visā paraugā “seko” elektriskā lauka izmaiņām, un strāvu caur diodi nosaka ātruma atkarība no lauka (7. att.).

Skaitīšana , , mums ir . Šī nevienlīdzība nosaka vērtību diapazonu, kurā tiek ieviests ONZ režīms.

Gunn diodes ģeneratora elektronisko efektivitāti ONOS režīmā var aprēķināt pēc pašreizējās formas (7. att.). Plkst Maksimālā efektivitāte ir 17%.

7. att. Strāvas laika atkarība no Gunn diodes ONOS režīmā.

Aplūkotie procesi Gunn diodē domēna režīmos būtībā ir idealizēti, jo tie tiek realizēti salīdzinoši zemās frekvencēs (1–3 GHz), kur svārstību periods ir ievērojami mazāks par domēna veidošanās laiku un diodes garums ir daudz lielāks nekā domēna garums parastajos dopinga līmeņos . Visbiežāk nepārtraukto viļņu Gunn diodes tiek izmantotas augstākās frekvencēs tā sauktajos hibrīdrežīmos. Gunn diožu hibrīdie darbības režīmi ir starpposms starp ONOS un domēna režīmiem. Hibrīdiem režīmiem raksturīgi, ka domēna veidošanās aizņem lielāko daļu svārstību perioda. Nepilnīgi izveidots domēns izzūd, kad momentānais spriegums pāri diodei samazinās līdz vērtībām zem sliekšņa. Elektriskā lauka stiprums ārpus pieaugošā telpas lādiņa apgabala parasti paliek lielāks par slieksni. Diodē notiekošie procesi hibrīdrežīmā tiek analizēti, izmantojot datoru, izmantojot vienādojumus (1), (3) un (4). Hibrīdrežīmi aizņem plašu vērtību diapazonu un nav tik jutīgi pret ķēdes parametriem kā ONOZ režīms.

8. att. GaAs Gunn diožu ģeneratoru elektroniskā efektivitāte dažādiem darbības režīmiem:

1 – ar domēna veidošanās aizkavi

2 — ar domēna nomākšanu

9. att. Gunn diodes sprieguma (a) un strāvas (b) atkarība no laika augstas efektivitātes režīmā.

3-hibrīds

Uz Gunn diodēm balstītu ģeneratoru konstrukcijas un parametri.

Domēna režīmos tāpēc saskaņā ar mums ir:

kur ir ekvivalentā slodzes pretestība, pārrēķināta uz diodes spailēm un vienāda ar LPD aktīvās negatīvās pretestības moduli.

Viļņvada ģeneratorā (10. att., a) Gunn diode 1 ir uzstādīta starp taisnstūra viļņvada platajām sienām metāla stieņa galā. Nobīdes spriegums tiek piegādāts caur droseles ieeju 2, kas ir izgatavota ceturkšņa viļņu koaksiālo līniju sekciju veidā un kalpo, lai novērstu mikroviļņu svārstību iekļūšanu strāvas avota ķēdē. Zema Q rezonatoru veido diodes stiprinājuma elementi viļņvadā. Ģeneratora frekvence tiek regulēta, izmantojot varaktora diodi 3, kas atrodas pusviļņa attālumā un ir uzstādīta viļņvadā līdzīgi kā Gunn diode. Bieži vien diodes ir iekļautas samazināta augstuma viļņvadā, kas ir savienots ar standarta sekcijas izejas viļņvadu ar ceturtdaļas viļņa transformatoru.

10. att. Uz Gunn diodēm balstītu ģeneratoru dizains:

a-viļņvads; b – mikrosloksne; c – ar YIG sfēras frekvences regulēšanu

Mikrosloksnes konstrukcijā (10. att., b) diode 1 ir savienota starp pamatni un sloksnes vadītāju. Frekvences stabilizēšanai tiek izmantots augstas kvalitātes dielektriskais rezonators 4 diska veidā, kas izgatavots no dielektriķa ar zemiem zudumiem un lielu vērtību (piemēram, bārija titanāts), kas atrodas netālu no MPL sloksnes vadītāja platumā . Kondensators 5 kalpo, lai atdalītu strāvas ķēdes un mikroviļņu ceļu. Barošanas spriegums tiek piegādāts caur induktora ķēdi 2, kas sastāv no divām ceturkšņa viļņu MPL sekcijām ar dažādu viļņu pretestību, un līnija ar zemu pretestību ir atvērta. Dielektrisko rezonatoru izmantošana ar pozitīvu temperatūras frekvences koeficientu ļauj izveidot oscilatorus ar nelielām frekvences nobīdēm, mainoties temperatūrai (~40 kHz/°C).

Frekvences regulējamus ģeneratorus, kuru pamatā ir Gunn diodes, var konstruēt, izmantojot itrija dzelzs granāta monokristālus (10. att., c). Ģeneratora frekvence šajā gadījumā mainās, pateicoties augstas kvalitātes rezonatora rezonanses frekvences regulēšanai, kam ir maza diametra YIG sfēra, mainoties magnētiskajam laukam. Maksimālā regulēšana tiek panākta neiepakotās diodēs, kurām ir minimāli reaktīvie parametri. Diodes augstfrekvences ķēde sastāv no īsa pagrieziena, kas aptver YIG-sfēru 6. Diodes ķēdes savienojums ar slodzes ķēdi tiek veikts, pateicoties savstarpējai induktivitātei, ko nodrošina YIG-sfēra un ortogonāli izvietoti sakabes pagriezieni. Šādu automātiskajās mērierīcēs plaši izmantoto ģeneratoru elektriskās regulēšanas diapazons sasniedz oktāvu ar izejas jaudu 10–20 mW.

11. att. Gunn diodes vispārinātā ekvivalentā ķēde.

Pastiprinātāji, kuru pamatā ir Gunn diodes.

Lielu interesi rada uz Gunn diodēm balstītu pastiprinātāju izstrāde, jo īpaši attiecībā uz milimetru viļņu garuma diapazonu, kur mikroviļņu tranzistoru izmantošana ir ierobežota. Būtisks uzdevums, veidojot uz Gunn diodēm balstītus pastiprinātājus, ir nodrošināt to darbības stabilitāti (diodes stabilizāciju) un, galvenais, nomākt mazo signālu domēna tipa svārstības. To var panākt, ierobežojot diodes parametru, noslogojot diode ar ārējo ķēdi, izvēloties diodes dopinga profilu, samazinot šķērsgriezumu vai uzliekot paraugam dielektrisku plēvi. Kā pastiprinātāji tiek izmantotas gan plakanās, gan mezastruktūras diodes, kurām ir negatīva vadītspēja pie spriegumiem virs sliekšņa plašā frekvenču diapazonā tuvu lidojuma frekvencei un tiek izmantoti kā reģeneratīvi atstarojošie pastiprinātāji ar cirkulatoru ieejā, kā arī sarežģītākas plēves struktūras. kas izmanto viļņu augšanas telpas lādiņa fenomenu materiālā ar NDC, ko bieži sauc par plānslāņa ceļojošo viļņu pastiprinātājiem (TWA).

12. att. Dopinga profils (a) un lauka sadalījums (b) Gunn diodē ar augstas pretestības katoda apgabalu.

Aplūkotajiem pastiprinātāju veidiem ir raksturīgs plašs dinamiskais diapazons, 2–3% efektivitāte un ~10 dB trokšņa rādītājs centimetru viļņu garuma diapazonā.

Notiek plānslāņa ceļojošo viļņu pastiprinātāju izstrāde (13. att.), kas nodrošina vienvirziena pastiprināšanu plašā frekvenču joslā un neprasa izmantot atsaistes cirkulācijas sūkņus. Pastiprinātājs ir GaAs 2 biezs (2–15 μm) epitaksiāls slānis, kas izaudzēts uz augstas pretestības substrāta 1. Ohmiskā katoda un anoda kontakti atrodas attālumā viens no otra un nodrošina elektronu dreifēšanu gar plēvi pastāvīgā sprieguma gadījumā. tiem tiek piemērots. Mikroviļņu signāla ievadīšanai un izvadīšanai no ierīces tiek izmantoti divi kontakti 3 Šotkija barjeras formā ar platumu 1–5 μm. Ieejas signāls, kas tiek piegādāts starp katodu un pirmo Šotkija kontaktu, elektronu plūsmā ierosina kosmosa lādiņa vilni, kura amplitūda mainās, virzoties uz anodu ar fāzes ātrumu .

13. att. GaAs plānslāņa ceļojošo viļņu pastiprinātāja diagramma ar garenisko novirzi

Viens no tiem ir tiešs vilnis, kas izplatās gar plēvi no katoda uz anodu ar fāzes ātrumu , un tā amplitūda mainās atkarībā no likuma:

(10)

[L]. Berezin et al. Mikroviļņu elektroniskās ierīces. – M. Augstskola 1985.g.

(1) vienādojumu apspriešana ar mērķi modificēt tos EM vektora potenciāla laukam, jo jaunie vienādojumi ļaus konsekventi aprakstīt elektrodinamisko lauku netermiskās iedarbības procesus materiālajos nesējos: elektriskajā un magnētiskajā. vides polarizācija, EM impulsa leņķiskā impulsa pārnešana uz to. Pašas sākotnējās primārās attiecības starp EM lauka komponentiem un EM vektora potenciāla lauku ar...

Barošanas avotu polaritātes 3.4. attēlā un strāvu virzieni p-n-p tranzistoram. Tranzistora n-p-n gadījumā sprieguma polaritātes un strāvas virzieni tiek mainīti. 3.4. attēls. Fiziskie procesi BT. Šis darbības režīms (NAR) ir galvenais un nosaka tranzistora elementu mērķi un nosaukumu. Emiteru savienojums ievada nesējus šaurā...

Tie ir savienoti ar sekundārajām ierīcēm, izmantojot termoelektriskos vadus, kas it kā pagarina termoelektrodus. Sekundārās ierīces, kas darbojas kopā ar termoelektriskajiem pārveidotājiem, ir magnetoelektriskie milivoltmetri un potenciometri. Magnetoelektriskā milivoltmetra darbība balstās uz rāmja mijiedarbību, ko veido vadītājs, caur kuru plūst strāva ar...

Temperatūras kontrole; Ģermānija un silīcija plakanas diodes. Teorētiskās uztura zināšanas, kas nepieciešamas laboratorijas darbam: 1. Fizikālie procesi, kas rodas dažādu vadītspējas veidu vadītāju saskares rezultātā. 2. Elektroniski-nodaļu pāreja svarīguma līmenī. Enerģijas diagramma. 3. Lādiņa ievadīšana un izvilkšana. 4. Voltu ampēru raksturlielums (...

Nosūtiet savu labo darbu zināšanu bāzē ir vienkārši. Izmantojiet zemāk esošo veidlapu

Studenti, maģistranti, jaunie zinātnieki, kuri izmanto zināšanu bāzi savās studijās un darbā, būs jums ļoti pateicīgi.

Publicēts http://www.allbest.ru//

Ievads

Mikroelektronikas kā jauna zinātniski tehniska virziena, kas nodrošina kompleksu radioelektronisko iekārtu (REA) radīšanu, rašanās un attīstība ir tieši saistīta ar krīzes situāciju, kas radās 60. gadu sākumā, kad tradicionālās metodes REA ražošanai no diskrētiem elementiem tika izmantotas. to secīgā montāža nevarēja nodrošināt nepieciešamo uzticamību, efektivitāti, enerģijas patēriņu, ražošanas laiku un pieņemamus REA izmērus.

Neskatoties uz īso pastāvēšanas laiku, mikroelektronikas savstarpējā saikne ar citām zinātnes un tehnikas jomām ir nodrošinājusi neparasti augstus šīs nozares attīstības tempus un būtiski samazinājusi laiku jaunu ideju rūpnieciskai īstenošanai. To veicināja arī savdabīgu atgriezenisko saišu rašanās starp integrālo shēmu izstrādi, kas ir ražošanas un vadības automatizācijas pamatā, un šo izstrādņu izmantošanu, lai automatizētu pašu integrālo shēmu projektēšanas, ražošanas un testēšanas procesu.

Mikroelektronikas attīstība ir veikusi būtiskas izmaiņas elektronisko ierīču projektēšanas principos un novedusi pie sarežģītas integrācijas izmantošanas, kas sastāv no:

strukturālā vai ķēdes integrācija (t.i., ķēdes funkciju integrēšana vienā struktūrvienībā); ar integrācijas pakāpi simtiem un tūkstošiem komponentu, neefektīvas kļūst esošās sistēmu sadalīšanas metodes komponentos, ierīcēs, apakšsistēmās un blokos, kā arī komponentu, ierīču un apakšsistēmu izstrādes koordinācijas formas; tajā pašā laikā smaguma centrs pārvietojas uz ķēdes zonu, kas prasa radikālu elektronisko sistēmu ieviešanas metožu pārstrukturēšanu, konstruējot iekārtas supermodulārā līmenī;

1. Plāno kārtiņu tehnoloģijas nozīme integrālo shēmu ražošanā

Integrētā elektronika attīstās nevis kā jauna vai atsevišķa tehnoloģiju joma, bet gan vispārinot daudzus tehnoloģiskos paņēmienus, kas iepriekš izmantoti diskrētu pusvadītāju ierīču ražošanā un virskārtas plēves pārklājumu ražošanā. Saskaņā ar to integrētajā elektronikā ir identificēti divi galvenie virzieni: pusvadītāju un plānās plēves.

Integrālās shēmas izveide uz vienas monokristāliskā pusvadītāja (pagaidām tikai silīcija) plāksnītes ir dabiska pēdējo desmitgažu laikā izstrādāto pusvadītāju ierīču izveides tehnoloģisko principu attīstība, kas, kā zināms, ir pierādījušas sevi darbībā.

Integrētās elektronikas plānslāņa virziens ir balstīts uz dažādu materiālu plēvju secīgu augšanu uz kopīgas pamatnes (substrāta) ar vienlaicīgu mikro detaļu (rezistoru, kondensatoru, kontaktu paliktņu u.c.) veidošanos un ķēdes savienojumus no šīs filmas.

Salīdzinoši nesen pusvadītāju (cieto) un plānslāņa hibrīdu IC tika uzskatīti par konkurējošiem virzieniem integrētās elektronikas attīstībā. Pēdējos gados ir kļuvis acīmredzams, ka šie divi virzieni nebūt nav izslēdzoši, bet, gluži pretēji, viens otru papildina un bagātina. Turklāt līdz šai dienai nav izveidotas integrētās shēmas, kurās izmantotu viena veida tehnoloģijas (un, acīmredzot, tas nav nepieciešams). Pat monolītās silīcija ķēdēs, kas ražotas galvenokārt, izmantojot pusvadītāju tehnoloģiju, vienlaikus tiek izmantotas tādas metodes kā alumīnija un citu metālu plēvju uzklāšana ar vakuumu, lai izveidotu savienojumus ķēdē, t.i., metodes, uz kurām balstās plānās kārtiņas tehnoloģija.

Plānās plēves tehnoloģijas lielā priekšrocība ir tās elastība, kas izpaužas spējā izvēlēties materiālus ar optimāliem parametriem un īpašībām un faktiski iegūt jebkuru nepieciešamo pasīvo elementu konfigurāciju un parametrus. Šajā gadījumā pielaides, ar kurām tiek saglabāti elementu atsevišķi parametri, var palielināt līdz 1-2%. Šī priekšrocība ir īpaši efektīva gadījumos, kad precīza nominālo vērtību vērtība un pasīvo komponentu parametru stabilitāte ir kritiska (piemēram, lineāro ķēžu, pretestības un RC ķēžu ražošanā, dažu veidu filtriem, fāzes jutīgajiem un selektīvās shēmas, ģeneratori utt.).

Sakarā ar nepārtrauktu gan pusvadītāju, gan plāno kārtiņu tehnoloģiju attīstību un pilnveidošanu, kā arī pieaugošo IC sarežģītību, kas atspoguļojas komponentu skaita pieaugumā un to funkciju sarežģītībā, jārēķinās, ka tuvākajā laikā nākotnē notiks tehnoloģisko metožu un paņēmienu integrācijas process, un sarežģītākās IC tiks ražotas, izmantojot konverģētas tehnoloģijas. Šajā gadījumā ir iespējams iegūt tādus parametrus un tādu IC uzticamību, kādu nevar panākt, izmantojot katru tehnoloģiju veidu atsevišķi. Piemēram, pusvadītāju IC ražošanā visi elementi (pasīvie un aktīvie) tiek veikti vienā tehnoloģiskā procesā, tāpēc elementu parametri ir savstarpēji saistīti. Aktīvie elementi ir izšķiroši, jo parasti kā kondensators tiek izmantots tranzistora bāzes kolektora savienojums, bet kā rezistors tiek izmantots difūzijas apgabals, kas rodas, izveidojot tranzistora pamatni. Nav iespējams optimizēt viena elementa parametrus, vienlaikus nemainot citu parametrus. Ņemot vērā aktīvo elementu īpašības, pasīvo elementu vērtējumus var mainīt tikai mainot to izmērus.

Izmantojot kombinēto tehnoloģiju, aktīvos elementus silīcija plāksnītē visbiežāk ražo, izmantojot plakanu tehnoloģiju, bet pasīvos elementus, izmantojot plānslāņa tehnoloģiju uz oksidētā elementa pa elementam (rezistori un dažreiz kondensatori) - vienas un tās pašas silīcija plāksnes virsmas. . Tomēr IC aktīvās un pasīvās daļas ražošanas procesi ir nodalīti laikā. Tāpēc pasīvo elementu raksturlielumi lielā mērā ir neatkarīgi, un tos nosaka materiāla izvēle, plēves biezums un ģeometrija. Tā kā hibrīda IC tranzistori atrodas substrāta iekšpusē, šādas shēmas izmēru var ievērojami samazināt, salīdzinot ar hibrīdiem IC, kuros tiek izmantoti diskrēti aktīvie elementi, kas uz pamatnes aizņem salīdzinoši daudz vietas.

Shēmām, kas izgatavotas, izmantojot kombinēto tehnoloģiju, ir vairākas neapšaubāmas priekšrocības. Piemēram, šajā gadījumā ir iespējams iegūt rezistorus ar lielu vērtību un mazu temperatūras pretestības koeficientu, ar ļoti šauru platumu un augstu virsmas pretestību, nelielā laukumā. Nogulsnēšanās ātruma kontrole rezistoru ražošanas laikā ļauj tos izgatavot ar ļoti augstu precizitāti. Rezistoriem, kas iegūti ar plēves nogulsnēšanos, nav raksturīgas noplūdes strāvas caur substrātu pat augstās temperatūrās, un substrāta relatīvi augstā siltumvadītspēja novērš iespēju ķēdēs parādīties apgabaliem ar paaugstinātu temperatūru.

Plānās plēves papildus IC ražošanai, izmantojot epitaksiski plakanu tehnoloģiju, tiek plaši izmantotas hibrīdo IC ražošanā, kā arī jauna veida mikroelektronisko ierīču (uzlādes savienotas ierīces, kriotronu lādētāji, kuru pamatā ir Džozefsons) ražošanā. efekts, lādētāji uz cilindriskiem magnētiskajiem domēniem utt.).

2. Pusvadītāju ierīču un integrālo shēmu plānslāņa metalizācija

Pusvadītāju ierīču un IC ražošanā omu kontaktu iegūšanai ar silīciju, starpsavienojumiem un kontaktu paliktņiem, kā arī MOS konstrukciju vārtu elektrodiem, alumīnija plēves ir kļuvušas plaši izplatītas, pateicoties šādām šī metāla priekšrocībām:

zemas Al izmaksas un iespēja izmantot vienu metālu visiem metalizācijas procesiem, kas būtiski vienkāršo un samazina tehnoloģijas izmaksas un novērš galvanisko efektu rašanos;

augsta Al plēvju elektrovadītspēja, kas ir tuvu birstošā materiāla elektrovadītspējai; viegla Al iztvaicēšana vakuumā no volframa tīģeļiem un elektronu staru iztvaicētājiem;

augsta A1 saķere ar silīciju un tā oksīdiem; zemas pretestības Al kontakts ar silīciju un n-veida vadītspēju;

ievērojama silīcija šķīdība Al ar cieta šķīduma veidošanos, kas gandrīz nemazina elektrisko vadītspēju;

ķīmisko savienojumu trūkums Al--Si sistēmā;

A1 ķīmiskā mijiedarbība ar Si02, daļēji paliekot uz kontaktu paliktņiem; ķīmiskā izturība A1 oksidējošā vidē un radiācijas izturība;

fotolitogrāfisko darbību vienkāršība, lai iegūtu vadošu sliežu ceļu konfigurāciju, izmantojot kodinātājus, kas nereaģē ar silīciju un silīcija dioksīdu; laba Al elastība un izturība pret cikliskām temperatūras izmaiņām.

Nogulsnēto Al kārtiņu graudu izmērs ir būtiski atkarīgs no pamatnes iztvaikošanas ātruma un temperatūras. Jo lielāks ir graudu izmērs un perfektāka ir plēves kristāliskā struktūra, jo zemāka ir tās pretestība, jo mazāka ir elektromigrācijas ietekme un līdz ar to strāvu nesošiem ceļiem un omiskiem kontaktiem ir ilgāks kalpošanas laiks. Al plēvju orientēta augšana uz neoksidētām silīcija virsmām plaknē (111) tiek novērota pie nogulsnēšanās ātrumiem aptuveni 3 * 10-2 μm * s-1 un substrāta temperatūrā 200--250°C.

Lai iegūtu tik augstus plēves nogulsnēšanās ātrumus, visbiežāk izmanto elektronu staru iztvaicētājus. Šajā gadījumā plēvju kristāliskās struktūras pilnības pakāpe var nekontrolējami mainīties substrātu papildu starojuma sildīšanas dēļ, kuras lielums ir atkarīgs gan no iztvaicētāja jaudas, gan no substrāta materiāla un pamatnes biezuma. deponēta plēve. Nekontrolētas izmaiņas plēves struktūrā rodas arī lādētu daļiņu klātbūtnes dēļ iztvaicēto Al tvaiku molekulārajā kūlī. Jo lielāka ir katoda emisijas strāva un lielāks iztvaikošanas ātrums, jo augstāka ir uzlādēto daļiņu koncentrācija.

Viens no būtiskākajiem tīro Al plēvju trūkumiem ir vielas pārnešana elektrodifūzijas rezultātā (materiālu jonu pārvietošanās pa vadītāju, vai tā galos ir potenciālu atšķirība). Jonu kustības ātrums ir atkarīgs no temperatūras un palielinās līdz ar temperatūru. Papildus elektrodifūzijai ir iespējama metāla atomu difūzija temperatūras starpības rezultātā vadītāja galos. Ja Al tiek nogulsnēts uz silīcija oksīda, tas izraisa sliktu siltuma izkliedi, “karsto” centru parādīšanos uz vadošajiem ceļiem un, kā rezultātā, ievērojamus temperatūras gradientus. Al elektromigrācija ar strāvas blīvumu, kas ir mazāks nekā citiem metāliem, izraisa tukšumu parādīšanos plēvē (Kirkendall efekts).

Tā kā elektrodifūzija ir aktivizācijas process, tas būtiski ir atkarīgs no graudu robežvirsmas stāvokļa. Robežu apjoma samazināšana, palielinot graudu izmēru un izvēloties aizsargpārklājuma materiālu, var ievērojami palielināt aktivācijas enerģiju un līdz ar to laiku starp atteicēm. Būtisku laiku starp atteicēm var palielināt, pievienojot alumīnijam vara, magnija, hroma un alumīnija oksīda piemaisījumus.

Pēc plēves A1 uzklāšanas un nepieciešamās strāvu nesošo sliežu konfigurācijas iegūšanas A1 tiek sakausēts silīcijā 500-550°C temperatūrā, lai iegūtu zemas pretestības kontaktu. Silīcija pārpalikuma migrācija uz strāvas ceļiem, kas atrodas blakus kontakta substrātiem, izraisa A1 lobīšanos un IC kļūmes. Lai to novērstu, iztvaicējot A1, nepieciešams ievadīt apmēram 2 wt. % silīcija. Silīcija pievienošana kontaktu paliktņiem no A1 samazina silīcija migrāciju no seklā emitētāja slāņa (apmēram 1 μm), kas ievērojami palielina IC veiktspēju uz bipolāriem tranzistoriem un novērš īssavienojumu IC seklo emitētāja savienojumu vietās. . Lai novērstu silīcija migrāciju A1 plēvē, kā starpslāni var izmantot titāna plēvi. Metodes izmantošana omu kontaktu izveidošanai ar titāna apakšslāni ātras darbības IC ļāva 20 reizes palielināt laiku starp kļūmēm. Papildus titānam platīna silicīda vai pallādija silicīda veidošanai var izmantot platīna vai pallādija apakškārtu.

Papildus iepriekš uzskaitītajām priekšrocībām alumīnija metalizācijai ir vairāki būtiski trūkumi, no kuriem svarīgākie ir šādi:

zema A1 atomu aktivācijas enerģija, izraisot elektromigrāciju pie strāvas blīvuma aptuveni 106 A/cm2 un paaugstinātā temperatūrā, kā rezultātā plēvēs parādās tukšumi;

īssavienojuma iespēja caur dielektriķi daudzlīmeņu metalizācijas sistēmās, jo uz iesma veidojas asi izvirzījumi A1 elektromigrācijas un pārkristalizācijas rezultātā;

Al galvaniskās korozijas draudi, vienlaikus izmantojot citus metālus; augsts A1 difūzijas ātrums gar graudu robežām, kas neļauj izmantot ierīces ar A1 metalizāciju temperatūrā virs 500°C;

intensīva A1 ķīmiskā mijiedarbība ar silīcija dioksīdu aptuveni 500°C temperatūrā;

zemā kušanas temperatūra alumīnija-silīcija sistēmu eitektikā ir aptuveni 577°C;

liela starpība (6 reizes) starp termiskās izplešanās koeficientiem A1 un 51;

A1 maigums un līdz ar to plēvju zemā mehāniskā izturība;

neiespējamība savienot vadus ar lodēšanu;

augsts sliekšņa spriegums MOS konstrukcijās augstās darba funkcijas dēļ.

Sakarā ar uzskaitītajiem trūkumiem alumīnija metalizācija netiek izmantota IC un tranzistoros ar maziem emiteru savienojumiem, kā arī MIS IC, kas paredzēti ... izveidojot vārtu elektrodus. Šim nolūkam tiek izmantotas viena slāņa un daudzslāņu sistēmas, kas izgatavotas no dažādiem metāliem (ieskaitot A1 virskārtai). Vispiemērotākie materiāli ir volframs un molibdēns. Jo īpaši volframam ir gandrīz tāds pats TCR kā silīcijam, labs omiskais kontakts ar silīciju un n-veida vadītspēju, neliela (2,5 reizes) atšķirība no alumīnija elektrovadītspējas ziņā, augstākā visu metālu aktivācijas enerģija pašizdifūzijas laikā, augsta eitektikas kušanas temperatūra ar silīciju, ķīmiskā inerce gaisā un fluorūdeņražskābes ūdens šķīdumā, kā arī augsta cietība, kas novērš plēves skrāpējumu iespējamību.

Pateicoties W augstajai temperatūras izturībai, to var izmantot daudzslāņu metalizācijai, silīcija dioksīda slāņus mainot ar W. Termiskās apstrādes laikā uz plēves virsmas neveidojas uzkalni un nepastāv īssavienojuma draudi starp strāvu nesošie ceļi daudzslāņu metalizācijā. Turklāt W plēves (kā arī Mo plēves) ir metalurģijas barjera, kas neļauj veidot starpkristālisku silīcija un alumīnija struktūru.

W metalizācijas trūkums ir grūtības iegūt plēves (kurām parasti izmanto volframa heksofluorīda pirolīzi) un kodināšanu (ferocianīda sārmainā šķīdumā). Abi šie procesi ir sarežģīti un ietver toksiskas vielas. Turklāt ārējos vadus nav iespējams tieši savienot ar volframu, tāpēc virs tā uz kontaktu paliktņiem tiek uzklāts kāds cits metāls (Pt, Ni, Au, Cu, Al utt.).

Mikroviļņu mikroviļņu mikroviļņu IC, speciālo IC ražošanā, kā arī hibrīdtehnoloģijā tiek izmantota metalizācija, kas sastāv no vairākiem plānu metālu slāņiem. Šajā gadījumā parasti pirmajam (apakšējam) metāla slānim jābūt ar augstu adhēziju gan ar silīciju, gan ar silīcija dioksīdu un tajā pašā laikā ar zemu šķīdības un difūzijas koeficientu šajos materiālos. Šīs prasības atbilst tādi metāli kā hroms, titāns, molibdēns un platīna silicīds. Ar divslāņu metalizāciju otrajam (augšējam) metāla slānim jābūt ar augstu elektrovadītspēju un jānodrošina stiepļu pievadu metināšana uz to. Tomēr dažās sistēmās (piemēram, Cr-Au, Ti-Au vai Cr-Cu) kontakti

Termiskās apstrādes laikā tie zaudē mehānisko izturību, jo to robežās veidojas intermetāliskie savienojumi. Turklāt pārklājošais metāls caur apakšējo slāni izkliedējas silīcijā, kas samazina savienojuma mehānisko izturību un maina kontakta pretestību. Lai novērstu šo parādību, parasti tiek izmantots trešais metāla slānis, kas ir barjera, kas novērš augšējā metalizācijas slāņa mijiedarbību ar silīciju. Piemēram, trīskāršā sistēmā Tt-Pl-Au, ko izmanto staru spaiļu ražošanā, slānis

Rīsi. 1. Divlīmeņu metalizācijas ražošanas procesa shēma A1-A1rOz-A1 sistēmā. mikroelektronikā integrēta plānā plēve

a - silīcija oksīda biezu un plānu slāņu uzklāšana pirms metalizācijas (tiek parādīts omiskā kontakta laukums); b - alumīnija uzklāšana, veidojot pirmo līmeni; c -- metāla pirmā līmeņa fotogravēšana; d - pirmā metalizācijas līmeņa anodēšana ar fotorezista masku e - alumīnija uzklāšana, kas veido otro metalizācijas līmeni;

Pt ar biezumu aptuveni 5X10-2 μm kalpo kā barjera pret A1 difūziju S1. Turklāt staru spailēm MIS IC tiek izmantotas Cr-Ag-Au, Cr-Ag-Pt, Pd-Ag-Au sistēmas, kurās barjeras lomu spēlē sudraba plēve. Hibrīdām IC un slokšņu mikroviļņu IC līnijām tiek izmantotas Cr-Cu un Cr-Cu-Cr sistēmas.

Elementu blīvuma palielināšanai mikroshēmā bija jāizmanto daudzlīmeņu metalizācija. Attēlā 1. attēlā parādīta divu līmeņu metalizācijas izgatavošanas secība sistēmā A1-A1203-A1, ko izmanto ar uzlādi savienotās ierīcēs.

Salīdzinoši jauns izolācijas materiāls daudzlīmeņu metalizācijai ir poliimīds, ar kuru tiek iegūta piecu līmeņu LSI metalizācija uz MOS tranzistoriem.

3. Plāno kārtiņu īpašības ietekmējošie faktori

Vienas vielas augšana uz substrāta no citas vielas ir ļoti sarežģīts process, kas ir atkarīgs no daudziem grūti kontrolējamiem parametriem: substrāta struktūras, tās virsmas stāvokļa, temperatūras, iztvaicētās vielas īpašībām. un tā nogulsnēšanās ātrumu, iztvaicētāja materiālu un dizainu, vakuuma pakāpi, atlikušās vides sastāvu un vairākus citus. Tabulā 1. attēlā parādīta saistība starp plēvju īpašībām un to nogulsnēšanās apstākļiem.

Filmas īpašības

faktori, kas ietekmē šīs īpašības

Grauda izmērs

Pamatnes un plēves materiāls. Substrāta piesārņojums.

Nogulsnētā materiāla atomu kustība uz virsmas

substrāti (substrāta temperatūra, nogulsnēšanās ātrums).

Pamatnes virsmas struktūra (nelīdzenuma pakāpe,

kristālu klātbūtne)

Kristālu novietošana

Pamatnes struktūra "" (monokristāliska,

polikristālisks vai amorfs). Substrāta piesārņojums

(filmas struktūras pārkāpums). Pamatnes temperatūra

(nodrošinot nogulsnēto atomu nepieciešamo mobilitāti

materiāls)

Adhēzija starp plēvi

Pamatnes un plēves materiāls. Papildu procesi

(piemēram, starpposma oksīda slāņa veidošanās

starp plēvi un substrātu). Substrāta piesārņojums.

Nogulsnētā materiāla atomu mobilitāte

Piesārņojums

Iztvaicētā materiāla tīrība. Iztvaicētāja materiāls.

Substrāta piesārņojums. Vakuuma pakāpe un sastāvs

gāzes un nogulsnēšanās ātrums

Oksidācija

Nogulsnētā materiāla ķīmiskās afinitātes pakāpe pret

skābeklis. Ūdens tvaiku absorbcija ar pamatni.

Pamatnes temperatūra. Vakuuma pakāpe un sastāvs

atlikušo vidi. Atlikuma spiediena attiecības

gāzes un nogulsnēšanās ātrums

spriegums

Plēves un substrāta materiāls. Pamatnes temperatūra.

Graudu izmērs, ieslēgumi, kristalogrāfiskie defekti

filma. Atkausēšana. Leņķis starp molekulāro staru kūli un substrātu

Atkarībā no konkrētajiem nogulsnēšanās apstākļiem vienas un tās pašas vielas plēvēm var būt šādas galvenās struktūras pazīmes: amorfa struktūra, ko raksturo kristāliskā režģa neesamība; koloidāla (smalkgraudaina) struktūra, ko raksturo ļoti mazu kristālu klātbūtne (mazāk nekā 10-2 µm); granulēta (rupji graudaina) struktūra ar lieliem kristāliem (10-1 µm vai vairāk); monokristāliska struktūra, kad visa plēve ir nepārtraukts noteikta materiāla atomu kristāliskais režģis.

4.Substrāti

Pamatnes ražošanai izmantotajam materiālam jābūt ar viendabīgu sastāvu, gludu virsmu (ar apdares pakāpi 12-14), ar augstu elektrisko un mehānisko izturību, ķīmiski inertam, ar augstu karstumizturību un siltumvadītspēju, termiskās izplešanās koeficientiem. substrāta materiāla un uzklātās plēves vērtībai jābūt līdzīgai. Ir pilnīgi skaidrs, ka substrātiem ir gandrīz neiespējami izvēlēties materiālus, kas vienlīdz atbilstu visām uzskaitītajām prasībām.

Kā substrātus hibrīdajām IC izmantoju stikla keramiku, fotositalu, augsta alumīnija oksīda un berilija keramiku, stiklu, polikoru, poliimīdu, kā arī metālus, kas pārklāti ar dielektrisko plēvi.

Sitalli ir stikla keramikas materiāli, ko iegūst, termiski apstrādājot (kristalizējot) stiklu. Visvairāk stikla keramikas iegūtas sistēmās Li2O-Al2O3-SiO2-TiO2 un RO-Al2O3-SiO2-TiO2 (CO tipa CaO, MgO, BaO).

Atšķirībā no vairuma augstas stiprības, ugunsizturīgu kristālisku materiālu, stikla keramikai ir laba elastība veidošanās laikā. To var presēt, vilkt, velmēt un centrbēdzes veidā, un tas var izturēt pēkšņas temperatūras izmaiņas. Tam ir zemi dielektriskie zudumi, tā elektriskā izturība nav zemāka par labākajiem vakuuma keramikas veidiem, un tā mehāniskā izturība ir 2-3 reizes spēcīgāka nekā stiklam. Sitalls nav porains, gāzi necaurlaidīgs, un tam augstās temperatūrās gāzes izdalīšanās ir nenozīmīga.

Tā kā stikla keramika pēc struktūras ir daudzfāzu, tad, pakļaujot to dažādiem ķīmiskiem reaģentiem, ko izmanto, piemēram, pamatnes virsmas attīrīšanai no piesārņotājiem, iespējama atsevišķu fāžu dziļa selektīva kodināšana, kas noved pie asa un dziļa reljefa veidošanās. uz pamatnes virsmas. Nelīdzenuma klātbūtne uz pamatnes virsmas samazina parametru reproducējamību un plānslāņa rezistoru un kondensatoru uzticamību. Tāpēc, lai samazinātu augstumu un izlīdzinātu mikronelīdzenumu malas, dažkārt tiek uzklāts grunts slānis no materiāla ar labām dielektriskām un adhezīvām īpašībām, kā arī vienmērīgu struktūru (piemēram, silīcija monoksīda slānis vairāku mikronu biezumā). uz substrātu.

No stikliem kā substrāti tiek izmantoti amorfie silikāta stikli, sārmu nesaturošs stikls C48-3, borsilikāts un kvarca stikls. Silikāta stiklus iegūst no šķidra oksīdu kausējuma, tos pārdzesējot, kā rezultātā tiek saglabāta šķidruma struktūra, t.i., raksturīgais amorfais stāvoklis. Lai gan glāzēs ir laukumi ar kristālisko fāzi – kristalīti, tie ir nejauši sadalīti pa visu struktūru, aizņem nelielu daļu no tilpuma un būtiski neietekmē stikla amorfo dabu.

Kvarca stikls ir vienkomponenta silikāta stikls, kas gandrīz pilnībā sastāv no silīcija un iegūts, kausējot tā dabiskās šķirnes. Tam ir ļoti zems termiskās izplešanās koeficients, kas nosaka tā īpaši augsto siltuma pretestību. Salīdzinot ar citiem stikliem, kvarca stikls ir inerts pret lielāko daļu ķīmisko reaģentu. Jebkuras koncentrācijas organiskās un minerālskābes (izņemot fluorūdeņražskābi un fosforskābi) pat paaugstinātā temperatūrā gandrīz neietekmē kvarca stiklu.

Keramikas pamatnes ir ierobežoti izmantojamas to augstās porainības dēļ. Šo substrātu priekšrocības ir augsta izturība un siltumvadītspēja. Piemēram, keramikas substrātam uz BeO bāzes ir 200-250 reizes lielāka siltumvadītspēja nekā stiklam, tāpēc intensīvos termiskajos apstākļos vēlams izmantot berilija keramiku. Papildus berilija keramikai tiek izmantota keramika ar augstu alumīnija oksīda (94% Al2Oz) saturu, blīvs alumīnija oksīds, steatīta keramika un glazēta keramika uz alumīnija oksīda bāzes. Jāņem vērā, ka glazūras ir mazākas par 100 mikroniem biezas un tādēļ nenodrošina pamanāmu barjeru starp plēvi un substrātu pie zemas jaudas. Neapstrādātas keramikas mikroraupjums ir simtiem reižu lielāks nekā stiklam, sasniedzot vairākus tūkstošus angstremu. Tos var ievērojami samazināt, pulējot, taču tas būtiski piesārņo keramikas virsmu.

Piesārņojumu klātbūtne uz pamatnes būtiski ietekmē gan plēvju saķeri, gan elektriskās īpašības. Tāpēc pirms nogulsnēšanas ir nepieciešams rūpīgi notīrīt pamatnes, kā arī aizsargāt tās no eļļas kārtiņu parādīšanās iespējamības, kas var rasties darba šķidruma tvaiku migrācijas rezultātā no sūkņiem. Efektīva tīrīšanas metode ir substrāta virsmas jonu bombardēšana kvēlizlādes plazmā. Šim nolūkam vakuuma iekārtas darba kamerā parasti tiek nodrošināti speciāli elektrodi, kuriem no mazjaudas augstsprieguma avota tiek piegādāts vairāku kilovoltu spriegums. Elektrodi visbiežāk ir izgatavoti no alumīnija, jo tam ir zemākais katoda izsmidzināšanas ātrums starp metāliem.

Jāpatur prātā, ka pat neliels piesārņojums var pilnībā mainīt plēves augšanas apstākļus. Ja piesārņotāji atrodas uz pamatnes nelielu salu veidā, kas izolēti viens no otra, tad atkarībā no tā, kura saistīšanas enerģija ir lielāka: starp plēves materiālu un piesārņojošo materiālu vai starp plēves materiālu un substrātu, plēve var veidoties vai nu uz uz šīm salām vai uz tukšām substrāta daļām.

Plēves adhēzija ļoti lielā mērā ir atkarīga no oksīda slāņa klātbūtnes, kas var rasties nogulsnēšanas procesā starp plēvi un pamatni. Šāds oksīda slānis veidojas, piemēram, dzelzs un nihroma nogulsnēšanās laikā, kas izskaidro šo plēvju labo adhēziju. No zelta izgatavotām plēvēm, kas nav pakļautas oksidēšanai, ir slikta adhēzija, un tāpēc starp zeltu un pamatni ir jāizveido materiāla starpslānis ar augstu adhēziju. Vēlams, lai iegūtais oksīda slānis būtu koncentrēts starp plēvi un substrātu. Ja oksīds ir izkliedēts visā plēvē vai atrodas uz tās virsmas, tad plēves īpašības var būtiski mainīties. Oksīdu veidošanos spēcīgi ietekmē atlikušo gāzu sastāvs iekārtas darba tilpumā un jo īpaši ūdens tvaiku klātbūtne.

5. Plānās plēves rezistori

Rezistīvo plēvju ražošanā izmantotajiem materiāliem jānodrošina iespēja iegūt plašu laika ziņā stabilu rezistoru klāstu ar zemu temperatūras pretestības koeficientu (TCR), tiem ir laba adhēzija, augsta izturība pret koroziju un izturība pret ilgstošu paaugstinātas temperatūras iedarbību. Kad materiāls tiek uzklāts uz pamatnes, jāveido plānas, skaidras sarežģītas konfigurācijas līnijas ar labu raksta atkārtojamību no parauga līdz paraugam.

Rezistīvajām plēvēm visbiežāk ir smalkgraudaina izkliedēta struktūra. Dispersijas r klātbūtne, plēvju struktūra ļauj pirmajā tuvinājumā uzskatīt to elektrisko pretestību kā atsevišķu granulu un starp tām esošo barjeru kopējo pretestību, kurā kopējās pretestības raksturs nosaka TK lielumu un zīmi. .S. Tātad, piemēram, ja dominē pašu graudu pretestība, tad plēves vadītspēja pēc būtības ir metāliska un TCR būs pozitīvs. No otras puses, ja pretestība ir saistīta ar elektronu pāreju caur spraugām starp graudiem (kas parasti notiek ar mazu plēves biezumu), tad vadītspēja būs pusvadītāja raksturs un TCR attiecīgi būs negatīvs.

Monolītā IC ražošanā galvenokārt tiek izmantoti augstas pretestības rezistori. Lai rezistori būtu pēc iespējas mazāki, tiem jābūt ražotiem ar tādu pašu izšķirtspēju un pielaidi kā citiem IC elementiem. Tas izslēdz bezmaksas metāla masku izmantošanu, lai iegūtu nepieciešamo rezistoru konfigurāciju, un ļauj to veikt tikai, izmantojot fotolitogrāfiju.

Ražojot mikrojaudas monolītos IC, izmantojot kombinēto tehnoloģiju, salīdzinoši nelielā kristāla laukumā ir jānovieto augstas pretestības rezistori ar pretestību līdz vairākiem megaomiem, ko var panākt tikai tad, ja rezistora materiālam ir Rs. (10--20) kOhm/c. Rezistoru ražošanas process ir jāapvieno ar galveno tehnoloģisko procesu visa silīcija IC izgatavošanai, izmantojot plakanu vai epitaksiāli plakanu tehnoloģiju. Piemēram, pretestības plēvēm nevajadzētu būt jutīgām pret silīcija nitrīda, fosfora, borsilikāta stikla un citu materiālu klātbūtni, ko izmanto monolītu IC ražošanā uz silīcija plāksnēm. Tiem jāiztur relatīvi augsta temperatūra (500-550°C), kas rodas IC blīvēšanas procesā, un atsevišķos gadījumos nedrīkst mainīt savas īpašības oksidējošas vides ietekmē. Monolītās IC rezistoru izgatavošanai galvenokārt izmanto nihromu un tantu.

Hibrīdu IC ražošanā tiek izmantots daudz plašāks plānslāņa rezistoru materiālu klāsts.

Kā zemas pretestības plēves ar Rs no 10 līdz 300 omiem. tiek izmantotas hroma, nihroma un t-tal plēves. Hroma plēvju ar reproducējamām elektrofizikālajām īpašībām ražošanu nedaudz sarežģī tā spēja veidot savienojumus (īpaši oksīdus), mijiedarbojoties ar atlikušajām gāzēm iztvaikošanas un nogulsnēšanās laikā. Rezistoriem, kuru pamatā ir hroma-niķeļa sakausējums (20% Cr un 80% Ni), tantala plēvēm ir daudz stabilākas īpašības, pateicoties tās dažādajām strukturālajām modifikācijām, tām ir ļoti plašs virsmas pretestības diapazons (no vairākiem omi/s). a-tantals līdz vairākiem MOhm/s zema blīvuma tantalam ) Tantala nitrīds tiek izmantots arī kā ļoti stabils pretestības materiāls.

Ievērojams rezistoru jaudas palielinājums tiek panākts, izmantojot metālkeramikas plēves un dažu metālu silicīdu plēves Šajās sistēmās kā metāls visbiežāk tiek izmantots hroms, bet pārejas metālu oksīdi, borīdi, nitrīdi un silicīdi. dažu metaloīdu oksīdi tiek izmantoti kā dielektriķis. Filmām, kas izgatavotas no hroma disilicīda, kā arī plēvēm, kas izgatavotas no silīcija, hroma un niķeļa sakausējuma, Rs ir līdz 5 kOhm/s; filmām, kuru pamatā ir sistēmas hroms --- silīcija monoksīds Rs atkarībā no hroma satura var atšķirties no vienībām līdz simtiem omu/s.

6. Plānās plēves kondensatori

Plānās kārtiņas kondensatori, neskatoties uz šķietamo trīsslāņu struktūras vienkāršību, ir vissarežģītākie un darbietilpīgākie salīdzinājumā ar citiem plēves pasīvajiem elementiem.

Atšķirībā no rezistoriem, spilventiņiem un komutācijas, kuru ražošanā pietiek ar viena vai divu slāņu (apakšslāņa un slāņa) nogulsnēšanu, plānslāņa kondensatoru ražošanai nepieciešams nogulsnēt vismaz trīs slāņus: apakšējā plāksne, dielektriskā plēve un augšējā plāksne (vairāku plākšņu izmantošana sarežģī kondensatoru ražošanas procesu un palielina to izmaksas).

Dielektrisko plēvju ražošanai izmantotajam materiālam jābūt ar labu saķeri ar kondensatora plāksnēm izmantoto metālu, jābūt blīvam un nepakļautam mehāniskai iznīcināšanai, pakļaujoties temperatūras cikliem, ar augstu pārrāvuma spriegumu un zemiem dielektriskajiem zudumiem, ar augstu dielektriķi. nemainīgi, nesadalās iztvaikošanas un nogulsnēšanās procesā, un tiem ir minimāla higroskopiskums.

Visizplatītākie materiāli, ko izmanto kā dielektriķi plēves kondensatoros, ir silīcija monoksīds (Si0) un germānija monoksīds (GeO). Pēdējos gados šim nolūkam tiek izmantotas alumīnija silikāta, borsilikāta un antimonidogermānija brilles.

Perspektīvākie dielektriķi ir kompozītmateriāli stiklveida savienojumi, jo tiem ir iespēja plašā diapazonā mainīt elektrofizikālās, fizikāli ķīmiskās un termodinamiskās īpašības, izvēloties stikla sastāvu un īstenojot plānslāņa metālā stiklveida sistēmu agregatīvā stāvokļa pazīmes. -dielektriski-metāla konstrukcijas.

7. Tantala un tā savienojumu plēves

Pēdējos gados tantala un tā savienojumu plēves ir kļuvušas arvien izplatītākas integrālo shēmu plēves elementu ražošanā. Tantala kā izejmateriāla izvēle lielā mērā ir izskaidrojama ar to, ka atkarībā no talala plēvju iegūšanas apstākļiem tām var būt atšķirīga struktūra un attiecīgi plašās robežās mainīties gan pretestība, gan temperatūras koeficients.

Kristālu struktūras un elektrisko īpašību ziņā b-tantala plēves ir vistuvāk lielajam paraugam, tām ir uz ķermeni centrēta struktūra un relatīvi zema pretestība (20-40 μOhm-cm). Atšķirībā no k-tantala, p-tantals, kuram ir tetragonāla smalki kristāliska struktūra un pretestība 160-200 km Ohm * cm, masīvajos paraugos nav atrodams. Šī metastabilā tantala modifikācija ir raksturīga tikai plānām kārtiņām.

B- un c-tantala plēvju ražošanu parasti veic ar katoda izsmidzināšanu ar spriegumu 4--5 kV un strāvas blīvumu 0,1--1 mA/cm2. Samazinot spriegumu un nepalielinot argona spiedienu, izlādes strāva samazināsies, kā rezultātā ievērojami samazināsies nogulsnēšanās ātrums. Tādējādi tiek iegūtas zema blīvuma plēves ar ļoti porainu struktūru ar poru izmēru (4--7)-10-3 µm, kas sastāv no lielāka skaita k- vai p-tantala graudu ar kristāla izmēriem (3--5). ) * 10-2 µm. Plēvju augstā porainība un metāla-dielektriskā maisījuma sistēmas izskats izraisa anomālu pretestības pieaugumu (apmēram 200 reizes salīdzinājumā ar b-tantalu) un tā temperatūras koeficienta izmaiņas. Ja argonam pievieno slāpekli daudzumā, kas ievērojami pārsniedz atlikušo gāzu fonu, var iegūt tantala nitrīda plēves ar diviem stabiliem stāvokļiem Ta2N un TaN ar atšķirīgām kristāliskām struktūrām un elektriskām īpašībām.

Vairāku tantala (b- un b-tantala, zema blīvuma tantala) un tā nitrīda modifikāciju klātbūtne ļauj izvēlēties dažādus topoloģiskos risinājumus, projektējot mikroshēmu pasīvo daļu.

Tīrs b-tantals plēves lielo mehānisko spriegumu un sliktās saķeres ar pamatni dēļ nav plaši izmantots mikroshēmu RC elementu ražošanā, un b-tantals tiek izmantots kondensatoru apakšējo plākšņu ražošanā rezistoru ražošanai. Rezistoru izgatavošanai izmanto tantala nitrīdu un zema blīvuma tantalu. Zema blīvuma tantala praktiskā vērtība ir spēja iegūt ļoti stabilus plānslāņa rezistorus (no 10 kOhm līdz vairākiem megaomiem), kas ir mazi un kuriem ir vienkārša konfigurācija. Plānplēves kondensatorus var izgatavot daudz vienkāršāk no zema blīvuma tantala, jo šajā gadījumā augšējo elektrodu, kā arī apakšējo elektrodu var iegūt, izsmidzinot tantalu, savukārt, izmantojot parastā blīvuma tantalu, tiek mēģināts iegūt augšējo elektrodu. elektrods šādā veidā bieži izraisīja dielektriskā slāņa bojājumu. Turklāt zema blīvuma tantals ļauj izgatavot RC ķēdes ar sadalītiem parametriem un regulējamu rezistora vērtību, ko var izmantot kā kondensatora augšējo elektrodu.

Tantala pentoksīdam (Ta2O5), ko iegūst elektrolītiskā vai plazmas anodēšanas ceļā, ir zemi dielektriskie zudumi, un to var izmantot gan kā kondensatora dielektriķi, gan kā izolatoru vai aizsargkārtu rezistoram. Turklāt anodēšanu var izmantot, lai precīzi pielāgotu kondensatoru un rezistoru vērtības. Jonu kodināšanas izmantošana, kā arī tantala nitrīda, tīra tantala un tā oksīdu šķīdība dažādos kodinātājos dod iespēju izmantot dažādas metodes, lai iegūtu nepieciešamo mikroshēmu konfigurāciju.

Tādējādi, pamatojoties uz tantalu, ir iespējams nodrošināt pasīvo elementu (rezistoru, kondensatoru, savienotājvadu un kontaktu paliktņu) grupu ražošanu gan ar koncentrētiem, gan sadalītiem parametriem, kas pēc savas sarežģītības nav zemāki par elementiem, kas izgatavoti uz citu elementu bāzes. materiāliem, bet tajā pašā laikā tiem ir ievērojami lielāka precizitāte, stabilitāte un uzticamība. Tantala daudzpusība un nepieciešamība izmantot citus materiālus liecina, ka lielāko daļu pasīvo IC elementu var ražot, pamatojoties uz “tantala tehnoloģiju”.

Secinājums

Pašreizējo integrētās elektronikas attīstības posmu raksturo tendences vēl vairāk palielināt darbības frekvences un samazināt pārslēgšanās laikus, palielināt uzticamību un samazināt izmaksas materiāliem un IC ražošanas procesam.

Integrēto shēmu izmaksu samazināšana prasa izstrādāt kvalitatīvi jaunus principus to ražošanai, izmantojot procesus, kuru pamatā ir līdzīgas fizikālās un ķīmiskās parādības, kas, no vienas puses, ir priekšnoteikums turpmākai ražošanas cikla viendabīgu tehnoloģisko darbību integrācijai un, no otras puses, paver fundamentālu iespēju kontrolēt visas darbības no datora. Kvalitatīvu tehnoloģiju izmaiņu un nozares tehniskās pārkārtošanas nepieciešamību diktē arī pāreja uz nākamo mikroelektronikas attīstības posmu - funkcionālo elektroniku, kuras pamatā ir optiskās, magnētiskās, virsmas un plazmas parādības, fāzu pārejas, elektronu. -fononu mijiedarbība, uzkrāšanās un lādiņa pārneses efekti utt.

Tehnoloģiskā procesa “progresivitātes” kritērijs līdztekus paša produkta parametru un īpašību uzlabošanai ir augsta ekonomiskā efektivitāte, ko nosaka vairāki privāti, savstarpēji saistīti kritēriji, kas nodrošina iespēju veidot pilnībā automatizētas komplektācijas. , augstas veiktspējas iekārtas ar ilgu kalpošanas laiku.

Svarīgākie īpašie kritēriji ir:

universālums, t.i., spēja veikt visu (vai lielāko daļu darbību) ražošanas ciklu, izmantojot tās pašas tehnoloģiskās metodes;

nepārtrauktība, kas ir priekšnoteikums vairāku ražošanas cikla tehnoloģisko darbību turpmākai integrācijai (kombinācijai), apvienojumā ar iespēju vienlaikus izmantot ievērojama skaita produktu vai pusfabrikātu grupu apstrādi;

visu tehnoloģiskā procesa galveno operāciju liels ātrums vai to intensifikācijas iespēja, piemēram, elektrisko un magnētisko lauku iedarbības, lāzera starojuma u.c. rezultātā;

parametru reproducējamība katrā darbībā un augsts iznākuma procents gan pusfabrikātiem, gan piemērotiem produktiem;

automatizētas ražošanas prasībām atbilstoša izstrādājuma vai pusfabrikāta dizaina izgatavojamība (automatizētas iekraušanas, pamatēšanas, uzstādīšanas, montāžas u.c. iespēja), kam jāatspoguļojas formas vienkāršībā, kā arī ierobežota. kopējo un pamata izmēru pielaides;

formalizācija, t.i. iespēja sastādīt (pamatojoties uz produkta parametru analītiskām atkarībām no tehnoloģiskā procesa parametriem) katras tehnoloģiskās darbības matemātisko aprakstu (algoritmu) un sekojošu visa tehnoloģiskā procesa kontroli, izmantojot datoru;

procesa pielāgošanās spēja (vitalitāte), t.i. spēja ilgstoši pastāvēt jaunu konkurētspējīgu procesu nepārtrauktas rašanās un attīstības apstākļos un spēja ātri pārbūvēt iekārtas jauna veida produktu ražošanai bez ievērojamām kapitāla izmaksām.

Lielāko daļu no uzskaitītajiem kritērijiem apmierina procesi, kuros tiek izmantotas elektroniskās un jonu parādības, kas notiek vakuumā un retinātās gāzēs, ar kuru palīdzību var ražot:

metālu, sakausējumu, dielektriķu un pusvadītāju jonu izsmidzināšana, lai iegūtu dažāda biezuma un sastāva plēves, starpsavienojumus, kapacitatīvās struktūras, starpslāņu izolāciju, starpslāņu elektroinstalāciju;

metālu, sakausējumu, pusvadītāju un dielektriķu jonu kodināšana, lai, iegūstot IC konfigurāciju, noņemtu atsevišķas lokalizētas zonas;

plazmas anodēšana, lai iegūtu oksīda plēves;

organisko plēvju polimerizācija ar elektroniem apstarotās vietās, lai iegūtu organiskos izolācijas slāņus;

substrātu virsmu tīrīšana un pulēšana;

monokristālu audzēšana;

materiālu (arī ugunsizturīgo) iztvaicēšana un plēvju pārkristalizācija;

plēvju mikrofrēzēšana;

mikrometināšana un mikrolodēšana IC vadu savienošanai, kā arī korpusu blīvēšana;

bezkontakta metodes IC parametru uzraudzībai.

Fizikālo un ķīmisko parādību kopīgums, uz kuriem ir balstīti uzskaitītie procesi, liecina par to turpmākās integrācijas fundamentālo iespēju, lai radītu jaunu tehnoloģisko bāzi augstas veiktspējas automatizētai integrālo shēmu un funkcionālo elektronikas ierīču ražošanai.

Ievietots vietnē Allbest.ru

...

Līdzīgi dokumenti

Īss vēsturiskais priekšvēsture par integrālo shēmu attīstību. Amerikāņu un padomju zinātnieki, kuri sniedza milzīgu ieguldījumu integrālo shēmu attīstībā un tālākā attīstībā. Mikroelektronikas un TS R12-2 pirmo izstrādņu klienti un patērētāji.

abstrakts, pievienots 26.01.2013

Integrēto shēmu izveide un mikroelektronikas attīstība visā pasaulē. Lētu elektronisko iekārtu elementu ražošana. Galvenās integrālo shēmu grupas. Kilbija pirmās integrālās shēmas izveide. Pirmās pusvadītāju integrālās shēmas PSRS.

abstrakts, pievienots 22.01.2013

Īsa tehniskā informācija par produktu KR1095 PP1, ievades un izvades mērķi, ražošanas procesu. Savienojošās metalizācijas loma integrētu sistēmu un atteices mehānismu ražošanā elektromigrācijas rezultātā. Magnetronu sistēmu izstrāde.

diplomdarbs, pievienots 25.05.2009

MOS tranzistora ar Šotkija diodi topoloģija un elementi. Tās ražošanas tehnoloģisko darbību secība. Pusvadītāju integrālo shēmu izgatavošanas tehnoloģiskā procesa izstrāde. Izmantoto materiālu un reaģentu raksturojums.

kursa darbs, pievienots 06.12.2012

Pusvadītāju diožu darbības princips, p-n savienojumu īpašības, difūzija un bloķējošā slāņa veidošanās. Diožu kā strāvas taisngriežu izmantošana, tranzistoru īpašības un pielietojums. Integrālo shēmu klasifikācija un ražošanas tehnoloģija.

prezentācija, pievienota 29.05.2010

Bezpakešu pusvadītāju integrālo shēmu metāla plēvju termisko apstākļu strukturālās problēmas: sildīšanas diagramma un priekšprojekta ticamības aprēķins. Metalizācijas vadītāja konstrukcijas un struktūras atteices līmenis.

abstrakts, pievienots 13.06.2009

Pusvadītāju materiālu elektrofizikālās īpašības, to izmantošana pusvadītāju ierīču un mikroelektronikas ierīču ražošanā. Cietvielu joslu teorijas pamati. Pusvadītāju enerģijas joslas. Nanoelektronikas fiziskie pamati.

kursa darbs, pievienots 28.03.2016

Pusvadītāju integrālo shēmu plates - šāda veida mikroshēmu, kuru elementi ir izgatavoti pusvadītāju substrāta virsmas slānī, ražošanas tehnoloģijas analīze. Monokristāliskā silīcija raksturojums. Vienkristālu audzēšana.

kursa darbs, pievienots 03.12.2010

Elektronisko komponentu uzticamība, tuneļa bojājums tajos un tā noteikšanas metodes. Integrēto shēmu metalizācijas un kontaktu drošums, to uzticamības parametri. Integrēto shēmu diožu un bipolāro tranzistoru nejaušo atteices mehānisms.

abstrakts, pievienots 10.12.2009

Planarizācija ir zemas temperatūras process, kurā tiek izlīdzināts plāksnes virsmas reljefs. Divpakāpju metalizācijas defekti. Vadošo slāņu mērķis daudzslāņu metalizācijā. MKM-D un MKM-A tipa vairāku mikroshēmu moduļi, raksturlielumi.