Fundamentos físicos da microeletrônica. Fundamentos físicos da microeletrônica, notas de aula Projetos e parâmetros de geradores baseados em diodos Gunn

Instituto Politécnico Sarapul (filial)

Instituição educacional estadual

ensino profissional superior

"Universidade Técnica Estadual de Izhevsk"

Departamento de Chipre

Trabalho do curso

Disciplina: Fundamentos físicos da microeletrônica.

Sobre o tema: Luxações. Vetor de hambúrgueres. Efeito do deslocamento nas propriedades

materiais de construção.

Feito: Verificado:

estudante gr. 471 professores

Volkov A.V.

Sarapul, 2010

Introdução................................................. ....... .................. 1

Tipos de luxação.................................................. .......... ... ..2

Vetor de contorno e hambúrgueres.................................2-3

Movimento de deslocamento.................................................. ... ...3-4

Densidade de deslocamentos................................................ ...4

Força atuando em um deslocamento................................4-5

Energia de deslocamento.................................................. ... ..5

Reprodução e acumulação de luxações................................5-6

Luxações francas e falhas de empilhamento................6

Luxações e propriedades físicas dos cristais.....7

Dependência da força da presença de luxação...7-8

Crescimento do cristal.................................................. .............8

Luxações e condutividade elétrica.................................8-9

Conclusão................................................. ....................10

Lista de referências............................................. 11

Introdução

A teoria das luxações surgiu na década de 50. século passado devido ao fato de que os cálculos teóricos da resistência dos materiais diferiam significativamente dos práticos.

A resistência ao cisalhamento teórica de um cristal foi calculada pela primeira vez por Frenkel, com base em um modelo simples de duas fileiras de átomos deslocados pela tensão de cisalhamento. A distância interplanar (distância entre linhas) é igual a A , e a distância entre os átomos na direção de deslizamento é igual a b . Sob tensão de cisalhamento τ essas fileiras de átomos são deslocadas umas em relação às outras, terminando em posições de equilíbrio em pontos como A , EM E COM , D , onde a tensão de cisalhamento necessária para uma determinada configuração de cisalhamento é zero. Nas posições intermediárias, a tensão de cisalhamento possui valores finitos, que mudam periodicamente no volume da rede. Suponha tensão de cisalhamento τ será uma função do deslocamento X com período b :

(1.1)

Para pequenos deslocamentos:

(1.2)

Usando a lei de Hooke:

, (1.3)

onde G é o módulo de cisalhamento, e – deformação por cisalhamento, encontre o coeficiente de proporcionalidade Para :

(1.4)

Substituindo este valor Para em (1.1) obtemos:

(1.5)

Valor máximo τ , correspondendo à tensão na qual a rede entra em um estado instável:

Pode ser aceito uma ≈ b , então a tensão de cisalhamento

As tensões de cisalhamento teóricas de vários materiais calculadas desta forma revelaram-se significativamente mais elevadas em comparação com os valores práticos. Então, para o cobre

Valor teórico

= 760 kgf/mm, e o valor prático para cristais reais = 100 kgf/mm.

Devido à forte discrepância entre os resultados teóricos e práticos, foi assumida a presença de defeitos lineares microscópicos e deslocamentos no cristal.

As luxações são descontinuidades na continuidade do deslocamento entre duas partes de um cristal, uma das quais sofre deslocamento e a outra não. Assim, a deformação é representada pela passagem sequencial de discordâncias ao longo do plano de deslizamento, e não pelo cisalhamento simultâneo em todo o cristal.

Tipos de luxações.

Existem dois tipos principais de luxações: borda e parafuso.

1. Luxações de borda.

O modelo de discordância de aresta pode ser representado cortando uma lacuna em uma peça de um corpo elasticamente sólido ABCD , terminando ao longo da linha AB dentro desta peça (Fig. 1). O material de um lado se desloca, criando um degrau CDEF . Linha A B , correspondente ao final do vão, é o limite entre o material deformado e não deformado, determina os pontos em que a linha de discordância sai da superfície do corpo.

Fig.1 Fig.2

A Figura 2 mostra um modelo visual de uma discordância de aresta em uma rede cúbica simples. O deslocamento da borda é causado pela presença de um semiplano extra A, perpendicular ao plano de deslizamento B (Fig. 2).

O semiplano extra pode estar acima do plano de deslizamento (como na Fig. 2), então o deslocamento é chamado de positivo, se o semiplano estiver abaixo, é negativo.

2. Luxações de parafuso:

O modelo de deslocamento do parafuso é semelhante a um deslocamento de borda, mas a direção do deslocamento do parafuso é paralela à linha AB, um degrau ADEF é formado (Fig. 3).

Fig. 3 Modelo de luxação do parafuso.

Contorno e vetor de hambúrgueres:

Para descrever discordâncias em cristais, é introduzido o conceito de contorno e vetor de Burgers. Um contorno desenhado em uma rede perfeita é um retângulo fechado no qual o último dos vetores desenhados chega ao ponto inicial na Fig. O contorno que envolve o deslocamento tem uma descontinuidade, e o vetor que deve ser desenhado para que o contorno se feche é chamado de vetor de Burgers, e o contorno desenhado é chamado de contorno de Burgers. O vetor de Burgers determina a magnitude e a direção da ruptura; geralmente é igual a uma distância interatômica e é constante ao longo de todo o comprimento do deslocamento, independentemente de sua direção ou localização mudar. Num cristal perfeito, o vetor Burgers é zero. Em um cristal com discordância de borda, ele é paralelo à direção de deslizamento e corresponde ao vetor de deslizamento da Fig. Em um cristal com deslocamento helicoidal, é perpendicular ao plano de deslizamento Fig.6

Fig.4 Fig.5 Fig.6

Em um cristal, também são possíveis discordâncias que ficam completamente dentro do cristal e não se estendem à sua superfície, como nas discutidas acima. As discordâncias dentro de um cristal podem ser interrompidas em outras discordâncias, nos limites dos grãos e em outras interfaces. Portanto, loops de discordância ou redes interconectadas de discordâncias são possíveis dentro do cristal. Tal discordância pode ser separada da região não deformada por uma linha de discordância na forma de um anel ou laço; em particular, pode ser obtida pressionando um corpo no cristal. A Figura 7 mostra a formação de uma discordância prismática por indentação sobre a área ABCD.

Neste caso, forma-se uma discordância de aresta e parafuso, o vetor de Burgers, que é a soma vetorial dos componentes da discordância: (1.6)

No ponto em que três discordâncias se unem, seus vetores Burgers estão relacionados pela relação:

(1.7)

Movimento de luxação.

Uma propriedade importante das luxações é a sua capacidade de se moverem sob a influência de tensões mecânicas. Deixe um segmento elementar dl de uma discordância mista com vetor de Burgers b mover-se na direção dz. O volume construído sobre estes três vetores:

dV = (dz×dl) b, (1,8)

é equivalente ao volume de material que se move no cristal quando uma discordância se move. Se V=0, o movimento da discordância não é acompanhado de transferência de massa ou alteração no volume do cristal. Este é um movimento conservador, ou deslizante. Para discordâncias de borda e mistas para as quais o vetor de Burgers b não é paralelo à linha de discordância dl, o deslizamento ocorre no plano definido pelos vetores b e dl: a expressão (1.8) é igual a zero se dz estiver no mesmo plano que o vetores b e dl. Obviamente, o plano de deslizamento de uma aresta ou discordância mista é o plano no qual se encontram a discordância e seu vetor de Burgers. Uma discordância de aresta é extremamente móvel em seu próprio plano de deslizamento. O movimento de uma discordância de borda pode ser representado como um movimento sequencial e gradual de átomos adjacentes ao longo de todo o comprimento da linha de discordância, acompanhado por uma redistribuição de ligações entre esses átomos. Após cada evento, o deslocamento se move uma distância interatômica. Neste caso, a tensão que causa o movimento das discordâncias é significativamente menor que a tensão de cisalhamento do material. Como resultado desse movimento, o deslocamento pode atingir a superfície do cristal e desaparecer. Assim, as regiões do cristal separadas pelo plano de deslizamento, após a liberação do deslocamento, serão deslocadas em uma distância interatômica (Fig. 8).

Ministério da Educação da Federação Russa

Universidade Técnica do Estado de Oryol

Departamento de Física

ABSTRATO

sobre o tema: “O efeito Gunn e sua utilização em diodos operando em modo gerador”.

Disciplina: “Fundamentos físicos da microeletrônica”

Concluído por um aluno do grupo 3–4 Senadores D.G.

Supervisor:

Águia. 2000

O efeito Gunn e sua utilização em diodos operando em modo gerador.

Para amplificar e gerar oscilações de micro-ondas, pode-se usar a dependência anômala da velocidade do elétron na intensidade do campo elétrico em alguns compostos semicondutores, principalmente no arsenieto de gálio. Neste caso, o papel principal é desempenhado por processos que ocorrem na maior parte do semicondutor, e não em p - n-transição. Geração de oscilações de microondas em amostras homogêneas de GaAs n-tipo com intensidade de campo elétrico constante acima de um valor limite foi observado pela primeira vez por J. Gunn em 1963 (portanto, tais dispositivos são chamados de diodos Gunn). Na literatura russa eles também são chamados dispositivos com instabilidade volumétrica ou com transferência intervalar de elétrons, já que as propriedades ativas dos diodos são determinadas pela transição dos elétrons do vale de energia “central” para o “lateral”, onde são caracterizados por uma grande massa efetiva e baixa mobilidade. Na literatura estrangeira, o sobrenome corresponde ao termo TED ( Dispositivo eletrônico transferido).

Em um campo fraco, a mobilidade dos elétrons é alta e chega a 6.000–8.500 cm 2 /(Vs). Quando a intensidade do campo é superior a 3,5 kV/cm, devido à transição de alguns elétrons para o vale “lateral”, a velocidade média de deriva dos elétrons diminui com o aumento do campo. O valor mais alto do módulo de mobilidade diferencial na seção descendente é aproximadamente três vezes menor que a mobilidade em campos fracos. Em intensidades de campo acima de 15–20 kV/cm, a velocidade média do elétron é quase independente do campo e é de cerca de 10 7 cm/s, então a razão , e a característica do campo de velocidade pode ser aproximada aproximadamente como mostrado na Fig. O tempo para estabelecer a condutividade diferencial negativa (NDC) é a soma do tempo de aquecimento do gás de elétrons no vale “central” (~10–12 s para GaAs), determinado pela constante de tempo de relaxamento de energia e pelo tempo de transição intervalar ( ~5–10–14s).

Seria de se esperar que a presença de uma seção descendente da característica na região NDC com uma distribuição uniforme do campo elétrico ao longo de uma amostra de GaAs uniformemente dopada levaria ao aparecimento de uma seção descendente na característica corrente-tensão do diodo, já que o valor da corrente de convecção através do diodo é definido como, onde; -área transversal; – comprimento da amostra entre os contatos. Nesta seção, o diodo teria uma condutividade ativa negativa e poderia ser usado para gerar e amplificar oscilações semelhantes a um diodo túnel. Porém, na prática, a implementação de tal regime em uma amostra de material semicondutor com NDC é difícil devido à instabilidade do campo e da carga espacial. Como foi mostrado no § 8.1, a flutuação da carga espacial neste caso leva a um aumento da carga espacial de acordo com a lei

onde está a constante de relaxação dielétrica; –concentração de elétrons no original n-GaAs. Em uma amostra homogênea à qual é aplicada uma tensão constante , um aumento local na concentração de elétrons leva ao aparecimento de uma camada carregada negativamente (Fig. 2), movendo-se ao longo da amostra do cátodo ao ânodo.

Figura 1. Dependência aproximada da velocidade de deriva do elétron na intensidade do campo elétrico para GaAs.

Figura 2. Explicar o processo de formação de uma camada de acumulação em GaAs uniformemente dopados.

Por cátodo entendemos um contato com a amostra à qual é aplicado um potencial negativo. Os campos elétricos internos que surgem neste caso são sobrepostos a um campo constante, aumentando a intensidade do campo à direita da camada e diminuindo-a à esquerda (Fig. 2, a). A velocidade dos elétrons à direita da camada diminui e à esquerda aumenta. Isto leva a um maior crescimento da camada de acumulação móvel e a uma redistribuição correspondente do campo na amostra (Fig. 2, b). Normalmente, uma camada de carga espacial nuclea no cátodo, uma vez que próximo ao contato ôhmico do cátodo existe uma região com maior concentração de elétrons e baixa intensidade do campo elétrico. As flutuações que ocorrem perto do contato anódico devido ao movimento dos elétrons em direção ao ânodo não têm tempo para se desenvolver.

Porém, tal distribuição de campo elétrico é instável e, se houver heterogeneidade na amostra na forma de saltos de concentração, mobilidade ou temperatura, pode se transformar na chamada domínio de campo forte. A intensidade do campo elétrico está relacionada à concentração de elétrons pela equação de Poisson, que para o caso unidimensional tem a forma

(1)

Um aumento no campo elétrico em parte da amostra será acompanhado pelo aparecimento nos limites desta área de uma carga espacial, negativa no lado do cátodo e positiva no lado do ânodo (Fig. 3, a). Neste caso, a velocidade dos elétrons dentro da região diminui conforme a Fig. Os elétrons do lado do cátodo alcançarão os elétrons dentro desta área, devido ao qual a carga negativa aumenta e uma camada rica em elétrons é formada. Os elétrons do lado do ânodo avançarão, devido ao qual a carga positiva aumenta e uma camada esgotada é formada na qual. Isto leva a um aumento adicional no campo na região de flutuação à medida que a carga se move em direção ao ânodo e a um aumento na extensão da região dipolo da carga espacial. Se a tensão aplicada ao diodo for mantida constante, à medida que o domínio dipolo cresce, o campo fora dele diminuirá (Fig. 3, b). O aumento do campo no domínio irá parar quando sua velocidade se tornar igual à velocidade dos elétrons fora do domínio. É óbvio que . A intensidade do campo elétrico fora do domínio (Fig. 3, c) estará abaixo da intensidade limite, o que impossibilita a transição intervalar de elétrons fora do domínio e a formação de outro domínio até o desaparecimento daquele anteriormente formado no ânodo. Após a formação de um domínio estável de alto campo, a corrente através do diodo permanece constante durante seu movimento do cátodo para o ânodo.

Figura 3. Explicar o processo de formação de um domínio dipolo.

Após o desaparecimento do domínio no ânodo, a intensidade do campo na amostra aumenta e, ao atingir o valor , inicia-se a formação de um novo domínio. Neste caso, a corrente atinge um valor máximo igual a (Fig. 4, c)

(2)

Este modo de operação de um diodo Gunn é chamado modo de voo. No modo de trânsito, a corrente através do diodo consiste em pulsos seguindo um período . O diodo gera oscilações de micro-ondas com uma frequência de voo , determinado principalmente pelo comprimento da amostra e fracamente dependente da carga (foram precisamente essas oscilações que Gunn observou ao estudar amostras de GaAs e InP).

Os processos eletrônicos em um diodo Gunn devem ser considerados levando-se em consideração as equações de Poisson, continuidade e densidade total de corrente, que para o caso unidimensional possuem a seguinte forma:

; (3)

. (4)

Figura 4. Circuito equivalente de um gerador de diodo Gunn (a) e dependências temporais de tensão (b) e corrente através do diodo Gunn no modo de trânsito (c) e nos modos com atraso (d) e amortecimento de domínio (e).

Tensão instantânea através do diodo. A corrente total não depende da coordenada e é função do tempo. O coeficiente de difusão é frequentemente considerado independente do campo elétrico.

Dependendo dos parâmetros do diodo (grau e perfil de dopagem do material, comprimento e área da seção transversal da amostra e sua temperatura), bem como da tensão de alimentação e propriedades de carga, o diodo Gunn, como gerador e amplificador de micro-ondas, pode operar em vários modos: domínio, acumulação de carga espacial limitante (ONZ, na literatura estrangeira LSA – Limited Space Charge Accumulation), híbrido, ondas viajantes de carga espacial, condutividade negativa.

Modos de operação do domínio.

Os modos de operação de domínio de um diodo Gunn são caracterizados pela presença de um domínio dipolo formado na amostra durante uma parte significativa do período de oscilação. As características de um domínio dipolo estacionário são discutidas em detalhes em [?], onde é mostrado que de (1), (3) e (4) segue-se que a velocidade do domínio e a intensidade máxima do campo nele estão relacionadas regra de área igual

. (5)

De acordo com (5), as áreas sombreadas na Fig. 5, a e delimitadas por linhas são iguais. Como pode ser visto na figura, a intensidade máxima do campo no domínio excede significativamente o campo fora do domínio e pode atingir dezenas de kV/cm.

Figura 5. Para determinar os parâmetros do domínio dipolo.

A Figura 5, b mostra a dependência da tensão do domínio na intensidade do campo elétrico fora dele, onde é o comprimento do domínio (Fig. 3, c). Lá, foi construída uma “linha de instrumento” de um diodo com comprimento em uma determinada tensão, levando em consideração o fato de que a tensão total no diodo é . Ponto de intersecção A determina a tensão do domínio e a intensidade do campo fora dele. Deve-se ter em mente que o domínio ocorre em tensão constante , porém, também pode existir quando, durante o movimento do domínio em direção ao ânodo, a tensão no diodo diminui para o valor (linha pontilhada na Fig. 5, b). Se a tensão no diodo for ainda mais reduzida, tornando-se menor que a tensão de extinção do domínio, o domínio resultante será resolvido. A tensão de amortecimento corresponde ao momento em que a “linha reta do instrumento” toca a linha da Fig.

Assim, a tensão de desaparecimento do domínio acaba sendo menor que a tensão limite de formação do domínio. Como pode ser visto na Fig. 5, devido à forte dependência do excesso de tensão no domínio da intensidade do campo fora do domínio, o campo fora do domínio e a velocidade do domínio mudam pouco quando a tensão no diodo muda. O excesso de tensão é absorvido principalmente no domínio. Já em a velocidade de domínio é apenas ligeiramente diferente da velocidade de saturação e pode ser considerada aproximadamente, e, portanto, a frequência de voo, como característica de um diodo, é geralmente determinada pela expressão:

(6)

O comprimento do domínio depende da concentração da impureza doadora, bem como da tensão no diodo e é de 5–10 μm. Uma diminuição na concentração de impurezas leva à expansão do domínio devido a um aumento na camada de depleção. A formação de um domínio ocorre ao longo de um tempo finito e está associada ao estabelecimento de condutividade diferencial negativa e ao aumento da carga espacial. A constante de tempo para o aumento da carga espacial no modo de pequena perturbação é igual à constante de relaxação dielétrica e é determinada pela mobilidade diferencial negativa e pela concentração de elétrons. No valor máximo, enquanto o tempo de estabelecimento do ODP é menor. Assim, o tempo de formação do domínio é determinado em grande parte pelo processo de redistribuição da carga espacial. Depende da falta de homogeneidade do campo inicial, do nível de dopagem e da tensão aplicada.

Figura 6. Diodo Gunn.

Acredita-se aproximadamente que o Domínio terá tempo para se formar totalmente no seguinte tempo:

onde é expresso em . Faz sentido falar sobre modos de domínio apenas se o domínio tiver tempo para se formar durante o vôo dos elétrons na amostra. Portanto, a condição para a existência de um domínio dipolo é .

O produto da concentração de elétrons pelo comprimento da amostra é chamado crítico e denotar. Este valor é o limite entre os modos de domínio do diodo Gunn e os modos com distribuição de campo elétrico estável em uma amostra uniformemente dopada. Quando um domínio de campo forte não é formado, a amostra é chamada estábulo. Vários modos de domínio são possíveis. O critério de tipo é válido, a rigor, apenas para estruturas em que o comprimento da camada ativa entre o cátodo e o ânodo seja muito menor que as dimensões transversais: (Fig. 6, a), o que corresponde a um problema unidimensional e é típico de estruturas planares e mesa. Estruturas de filme fino (Fig. 6, b) possuem uma camada ativa epitaxial de GaAs 1 comprimento pode ser localizado entre um substrato de alta resistência 3 e filme dielétrico isolante 2 feito, por exemplo, de SiO 2. Os contatos ôhmicos de ânodo e cátodo são fabricados usando métodos de fotolitografia. O tamanho transversal de um diodo pode ser comparável ao seu comprimento. Neste caso, as cargas espaciais formadas durante a formação do domínio criam campos elétricos internos que possuem não apenas uma componente longitudinal, mas também uma componente transversal (Fig. 6, c). Isso leva a uma diminuição no campo em comparação com um problema unidimensional. Quando a espessura do filme ativo é pequena, quando, o critério para ausência de instabilidade de domínio é substituído pela condição. Para tais estruturas, com distribuição estável do campo elétrico, ele pode ser maior.

O tempo de formação do domínio não deve exceder meio ciclo de oscilações de microondas. Portanto, existe uma segunda condição para a existência de um domínio móvel, da qual, levando em consideração (1), obtemos .

Dependendo da relação entre o tempo de voo e o período de oscilações de micro-ondas, bem como dos valores da tensão constante e da amplitude da tensão de alta frequência, os seguintes modos de domínio podem ser realizados: voo-de- vôo, modo com atraso de domínio, modo com supressão (extinção) do domínio. Consideremos os processos que ocorrem nesses modos para o caso de um diodo Gunn operando em uma carga na forma de um circuito oscilante paralelo com resistência ativa na frequência de ressonância e o diodo sendo alimentado por um gerador de tensão com baixa resistência interna (ver Figura 4a). Neste caso, a tensão no diodo muda de acordo com uma lei senoidal. A geração é possível em .

Em baixa resistência de carga, quando , onde – a resistência do diodo Gunn em campos fracos, a amplitude da tensão de alta frequência é pequena e a tensão instantânea no diodo excede o valor limite (ver Fig. 4b, curva 1). Aqui ocorre o modo de trânsito considerado anteriormente, quando após a formação do domínio, a corrente através do diodo permanece constante e igual (ver Fig. 9.39, c). Quando o domínio desaparece, a corrente aumenta para . Para GaAs. A frequência das oscilações no modo de voo é igual a . Como a proporção é pequena, a eficiência O número de geradores de diodo Gunn operando em modo trânsito é pequeno e este modo geralmente não tem aplicação prática.

Quando o diodo opera em um circuito com alta resistência, quando , a amplitude da tensão alternada pode ser bastante grande, de modo que durante alguma parte do período a tensão instantânea no diodo se torna menor que o limite (corresponde à curva 2 na Fig. .4b). Neste caso eles falam sobre modo com atraso na formação do domínio. Um domínio é formado quando a tensão no diodo excede o limite, ou seja, em um momento no tempo (ver Fig. 4, d). Após a formação do domínio, a corrente do diodo diminui e permanece assim durante o tempo de vôo do domínio. Quando o domínio desaparece no ânodo em um determinado momento, a tensão no diodo é menor que o limite e o diodo representa uma resistência ativa. A mudança na corrente é proporcional à tensão no diodo até o momento em que a corrente atinge seu valor máximo e a tensão no diodo é igual ao limite. Inicia-se a formação de um novo domínio e todo o processo se repete. A duração do pulso de corrente é igual ao tempo de atraso na formação de um novo domínio. O tempo de formação do domínio é considerado pequeno comparado a e. Obviamente, tal modo é possível se o tempo de voo estiver dentro dos limites e a frequência das oscilações geradas for .

Com uma amplitude ainda maior de tensão de alta frequência correspondente à curva 3 na Fig. 4b, a tensão mínima no diodo pode ser menor que a tensão de extinção do diodo. modo com supressão de domínio(ver Fig. 4, d). Um domínio é formado em um determinado momento e se dissolve em um momento em que um novo domínio começa a se formar após a tensão exceder um valor limite. Como o desaparecimento de um domínio não está associado ao seu alcance no ânodo, o tempo de voo dos elétrons entre o cátodo e o ânodo no modo de extinção de domínio pode exceder o período de oscilação: . Assim, no modo de amortecimento. O limite superior das frequências geradas é limitado pela condição e pode ser .

Eficiência eletrônica geradores baseados em diodos Gunn operando em modos de domínio podem ser determinados expandindo a função de corrente em uma série de Fourier (ver Fig. 4) para encontrar a amplitude do primeiro harmônico e o componente de corrente contínua. Valor de eficiência depende das relações , , e no valor ideal não excede 6% para diodos GaAs no modo de atraso de domínio. Eficiência eletrônica no modo de extinção de domínio é menor do que no modo de atraso de domínio.

Modo ONOZ.

Um pouco mais tarde, modos de domínio foram propostos e implementados para diodos Gunn modo de limitar o acúmulo de carga espacial. Existe em tensões constantes no diodo, várias vezes superiores ao valor limite, e grandes amplitudes de tensão em frequências várias vezes superiores à frequência de voo. Para implementar o modo ONOS, são necessários diodos com perfil de dopagem muito uniforme. A distribuição uniforme do campo elétrico e da concentração de elétrons ao longo do comprimento da amostra é garantida pela alta taxa de variação da tensão através do diodo. Se o período de tempo durante o qual a intensidade do campo elétrico passa pela região da característica NDC for muito menor que o tempo de formação do domínio, então não há redistribuição perceptível do campo e da carga espacial ao longo do comprimento do diodo. A velocidade dos elétrons em toda a amostra “segue” a mudança no campo elétrico, e a corrente através do diodo é determinada pela dependência da velocidade no campo (Fig. 7).

Assim, no modo ONOS, a condutividade negativa do diodo é utilizada para converter a energia da fonte de energia em energia de oscilações de micro-ondas. Neste modo, durante parte do período de oscilação, a tensão no diodo permanece menor que o limite e a amostra fica em um estado caracterizado pela mobilidade eletrônica positiva, ou seja, a carga espacial, que conseguiu se formar durante o tempo em que o elétrico campo no diodo estava acima do limite, é dissolvido.

Escreveremos aproximadamente a condição para um fraco aumento na carga ao longo do tempo na forma , Onde ; é o valor médio da mobilidade eletrônica diferencial negativa na região. A reabsorção da carga espacial no tempo será eficaz se e onde ; e – constante de tempo de relaxação dielétrica e mobilidade eletrônica em campo fraco.

Contando , , Nós temos . Esta desigualdade determina a faixa de valores dentro da qual o modo ONZ é implementado.

A eficiência eletrônica de um gerador de diodo Gunn no modo ONOS pode ser calculada a partir do formato da corrente (Fig. 7). No A eficiência máxima é de 17%.

Figura 7. Dependência temporal da corrente no diodo Gunn no modo ONOS.

Nos modos de domínio, a frequência das oscilações geradas é aproximadamente igual à frequência de voo. Portanto, o comprimento dos diodos Gunn operando em modos de domínio está relacionado à faixa de frequência operacional pela expressão

onde é expresso em GHz e – em mícrons. No modo ONOS, o comprimento do diodo não depende da frequência de operação e pode ser muitas vezes maior que o comprimento dos diodos operando nas mesmas frequências nos modos de domínio. Isso permite aumentar significativamente a potência dos geradores no modo ONO em comparação com geradores operando em modos de domínio.

Os processos considerados em um diodo Gunn em modos de domínio são essencialmente idealizados, uma vez que são realizados em frequências relativamente baixas (1–3 GHz), onde o período de oscilação é significativamente menor que o tempo de formação do domínio, e o comprimento do diodo é muito maior que o comprimento do domínio em níveis de dopagem convencionais . Na maioria das vezes, os diodos Gunn de onda contínua são usados em frequências mais altas nos chamados modos híbridos. Modos Híbridos A operação dos diodos Gunn é intermediária entre os modos ONOS e de domínio. É típico dos modos híbridos que a formação de um domínio ocupe a maior parte do período de oscilação. Um domínio formado incompletamente é resolvido quando a tensão instantânea no diodo diminui para valores abaixo do limite. A intensidade do campo elétrico fora da região de aumento da carga espacial permanece geralmente maior que o limite. Os processos que ocorrem no diodo no modo híbrido são analisados em um computador usando as equações (1), (3) e (4). Os modos híbridos ocupam uma ampla faixa de valores e não são tão sensíveis aos parâmetros do circuito quanto o modo ONOZ.

O modo ONOS e os modos de operação híbridos do diodo Gunn são classificados como modos de autoexcitação “hard”, que são caracterizados pela dependência da condutividade eletrônica negativa na amplitude da tensão de alta frequência. Colocar o gerador no modo híbrido (bem como no modo ONOZ) é uma tarefa complexa e geralmente é realizada pela transição sequencial do diodo do modo de trânsito para o modo híbrido.

Figura 8. Eficiência eletrônica de geradores de diodo GaAs Gunn para vários modos de operação:

1–com atraso na formação de domínio

2–com supressão de domínio

Figura 9. Dependência temporal da tensão (a) e da corrente (b) de um diodo Gunn no modo de alta eficiência.

3-híbrido

Projetos e parâmetros de geradores baseados em diodos Gunn.

A Figura 8 mostra os valores da máxima eficiência eletrônica. Diodo GaAs Gunn em vários modos de operação. Percebe-se que os valores não ultrapassam 20%. Aumentar a eficiência geradores baseados em diodos Gunn é possível através da utilização de sistemas oscilatórios mais complexos, que permitem fornecer as dependências temporais da corrente e tensão do diodo, mostradas na Fig. Expansão de funções e na série de Fourier em e fornece valores de eficiência eletrônica para diodos GaAs Gunn de 25%. Uma boa aproximação da curva ótima é obtida usando o segundo harmônico de tensão. Outra maneira de aumentar a eficiência consiste na utilização de materiais com alta proporção em diodos Gunn. Assim, para o fosfeto de índio chega a 3,5, o que aumenta a eficiência eletrônica teórica dos diodos para 40%.

Deve-se ter em mente que a eficiência eletrônica geradores baseados em diodos Gunn diminui em altas frequências, quando o período de oscilação se torna proporcional ao tempo de estabelecimento do NDC (isso já se manifesta em frequências de ~30 GHz). A inércia dos processos que determinam a dependência da velocidade média de deriva dos elétrons no campo leva a uma diminuição do componente antifásico da corrente do diodo. As frequências limites dos diodos Gunn associadas a este fenômeno são estimadas em ~100 GHz para dispositivos GaAs e 150–300 GHz para dispositivos InP.

A potência de saída dos diodos Gunn é limitada por processos elétricos e térmicos. A influência deste último leva à dependência da potência máxima da frequência na forma , onde a constante é determinada pelo superaquecimento permitido da estrutura, pelas características térmicas do material e pela eficiência eletrônica. e capacidade do diodo. As limitações no modo elétrico são devidas ao fato de que em alta potência de saída a amplitude das oscilações acaba sendo proporcional à tensão constante no diodo: .

Em modos de domínio portanto, de acordo com Nós temos:

onde é a resistência de carga equivalente, recalculada para os terminais do diodo e igual ao módulo da resistência negativa ativa do LPD.

A intensidade máxima do campo elétrico no domínio excede significativamente o valor médio do campo no diodo, ao mesmo tempo que deve ser menor que a resistência à ruptura na qual ocorre a quebra do material em avalanche (para GaAs ). Normalmente, o valor permitido do campo elétrico é considerado igual a .

Tal como acontece com os LPDs, em frequências relativamente baixas (na faixa de comprimento de onda centimétrica), a potência máxima de saída dos diodos Gunn é determinada por efeitos térmicos. Na faixa milimétrica, a espessura da região ativa dos diodos operando nos modos de domínio torna-se pequena e prevalecem as limitações elétricas. No modo contínuo na faixa de três centímetros, uma potência de 1–2 W pode ser obtida de um diodo com eficiência de até 14%; em frequências de 60–100 GHz – até 100 WW com uma eficiência de alguns por cento. Os geradores de diodo Gunn são caracterizados por ruído de frequência significativamente mais baixo do que os geradores LPD.

O modo ONOZ é caracterizado por uma distribuição muito mais uniforme do campo elétrico. Além disso, o comprimento do diodo operando neste modo pode ser significativo. Portanto, a amplitude da tensão de micro-ondas no diodo no modo ONOS pode ser 1–2 ordens de grandeza maior que a tensão nos modos de domínio. Assim, a potência de saída dos diodos Gunn no modo ONOS pode ser aumentada em várias ordens de grandeza em comparação com os modos de domínio. Para o modo ONOZ, as limitações térmicas vêm à tona. Os diodos Gunn no modo ONOS operam mais frequentemente em modo pulsado com um ciclo de trabalho alto e geram energia de até vários quilowatts na faixa de comprimento de onda centimétrica.

A frequência dos geradores baseados em diodos Gunn é determinada principalmente pela frequência de ressonância do sistema oscilatório, levando em consideração a condutividade capacitiva do diodo e pode ser ajustada em uma ampla faixa por métodos mecânicos e elétricos.

Em um gerador de guia de ondas(Fig. 10, a) Diodo Gunn 1 instalado entre as paredes largas de um guia de ondas retangular na extremidade de uma haste de metal. A tensão de polarização é fornecida através da entrada do indutor 2 , que é feito na forma de seções de linhas coaxiais de quarto de onda e serve para evitar a penetração de oscilações de micro-ondas no circuito da fonte de energia. O ressonador de baixo Q é formado pelos elementos de montagem do diodo no guia de ondas. A frequência do gerador é sintonizada usando um diodo varator 3 , localizado a meio comprimento de onda e instalado no guia de ondas semelhante a um diodo Gunn. Freqüentemente, os diodos são incluídos em um guia de onda de altura reduzida, que é conectado a um guia de onda de saída de seção padrão por um transformador de quarto de onda.

Figura 10. Projeto de geradores baseados em diodos Gunn:

guia de ondas; b-microstrip; c – com sintonia de frequência pela esfera YIG

Em design de microfita(Fig. 10, b) diodo 1 conectado entre a base e o condutor de tira. Um ressonador dielétrico de alta qualidade é usado para estabilizar a frequência 4 na forma de um disco feito de um dielétrico com baixas perdas e alto valor (por exemplo, titanato de bário), localizado próximo a um condutor de tira MPL de largura. Capacitor 5 serve para separar os circuitos de potência e o caminho das microondas. A tensão de alimentação é fornecida através do circuito indutor 2 , consistindo em dois segmentos de quarto de onda do MPL com diferentes impedâncias de onda, e a linha com baixa resistência está aberta. O uso de ressonadores dielétricos com coeficiente de frequência de temperatura positivo torna possível criar osciladores com pequenas mudanças de frequência ao mudar a temperatura (~40 kHz/°C).

Geradores sintonizáveis em frequência nos diodos Gunn podem ser construídos usando monocristais de granada de ítrio e ferro (Fig. 10, c). A frequência do gerador, neste caso, muda devido à sintonia da frequência de ressonância de um ressonador de alta qualidade, que tem a forma de uma esfera YIG de pequeno diâmetro, quando o campo magnético muda. O ajuste máximo é alcançado em diodos não empacotados que possuem parâmetros reativos mínimos. O circuito de diodo de alta frequência consiste em uma volta curta envolvendo a esfera YIG 6 . A conexão do circuito de diodo com o circuito de carga é realizada devido à indutância mútua fornecida pela esfera YIG e espiras de acoplamento localizadas ortogonalmente. A faixa de sintonia elétrica de tais geradores, amplamente utilizados em dispositivos de medição automática, atinge uma oitava com potência de saída de 10–20 mW.

Figura 11. Circuito equivalente generalizado de um diodo Gunn.

Amplificadores baseados em diodos Gunn.

O desenvolvimento de amplificadores baseados em diodos Gunn é de grande interesse, principalmente para a faixa de comprimento de onda milimétrica, onde o uso de transistores de micro-ondas é limitado. Uma tarefa importante na criação de amplificadores baseados em diodos Gunn é garantir a estabilidade de seu funcionamento (estabilização do diodo) e, acima de tudo, suprimir oscilações do tipo domínio de pequenos sinais. Isto pode ser conseguido limitando o parâmetro do diodo, carregando o diodo com um circuito externo, escolhendo um perfil de dopagem do diodo, reduzindo a seção transversal ou aplicando um filme dielétrico à amostra. Como amplificadores, são utilizados diodos planares e de mesaestrutura, que possuem condutividade negativa em tensões acima do limite em uma ampla faixa de frequência próxima à frequência de vôo e são usados como amplificadores reflexivos regenerativos com circulador na entrada, bem como estruturas de filme mais complexas que usam o fenômeno de carga espacial de crescimento de onda em um material com NDP, muitas vezes chamado amplificadores de ondas viajantes de filme fino(UBV).

Em diodos dopados subcriticamente em a formação de um domínio em execução é impossível mesmo em tensões que excedem o limite. Como mostram os cálculos, os diodos subcríticos são caracterizados por uma resistência equivalente negativa em frequências próximas à frequência de voo, em tensões que excedem o limite. Eles podem ser usados em amplificadores reflexivos. No entanto, devido à sua baixa faixa dinâmica e ganho, eles são de uso limitado.

A condutividade negativa estável em uma ampla faixa de frequência, chegando a 40%, é obtida em diodos com em comprimento curto de diodo (~8–15 µm) e tensões . Em tensões mais baixas, observa-se geração, cuja quebra com o aumento da tensão pode ser explicada por uma diminuição no NDC do material com o aumento da temperatura do dispositivo.

Uma distribuição uniforme do campo elétrico ao longo do comprimento do diodo e uma amplificação estável em uma ampla banda de frequência podem ser obtidas devido à dopagem não uniforme da amostra (Fig. 12, a). Se houver uma camada estreita e levemente dopada com cerca de 1 μm de comprimento perto do cátodo, isso limita a injeção de elétrons do cátodo e leva a um aumento acentuado no campo elétrico. O aumento da concentração de impurezas ao longo do comprimento da amostra em direção ao ânodo na faixa de a permite obter uniformidade do campo elétrico. Os processos em diodos com este perfil geralmente são calculados em um computador.

Figura 12. Perfil de dopagem (a) e distribuição de campo (b) em um diodo Gunn com região catódica de alta resistência.

Os tipos de amplificadores considerados são caracterizados por uma ampla faixa dinâmica, uma eficiência de 2–3% e um valor de ruído de ~ 10 dB na faixa de comprimento de onda centimétrica.

Está em andamento o desenvolvimento de amplificadores de ondas viajantes de filme fino (Fig. 13), que fornecem amplificação unidirecional em uma ampla faixa de frequência e não requerem o uso de circuladores de desacoplamento. O amplificador é uma camada epitaxial de GaAs 2 grosso (2–15 µm), cultivado em um substrato de alta resistividade 1 . Os contatos ôhmicos do cátodo e do ânodo estão localizados distantes um do outro e garantem o desvio dos elétrons ao longo do filme quando uma tensão constante é aplicada a eles. Dois contatos 3 na forma de uma barreira Schottky com largura de 1–5 μm, eles são usados para entrada e saída de um sinal de micro-ondas do dispositivo. O sinal de entrada fornecido entre o cátodo e o primeiro contato Schottky excita uma onda de carga espacial no fluxo de elétrons, que muda de amplitude à medida que se move em direção ao ânodo com velocidade de fase.

Figura 13. Diagrama de um amplificador de onda viajante de filme fino GaAs com deriva longitudinal

Para que o amplificador funcione, é necessário garantir a uniformidade do filme e a uniformidade do campo elétrico ao longo do comprimento do dispositivo. A tensão de polarização BW encontra-se na região GaAs NDC, ou seja, em . Neste caso, a onda de carga espacial cresce à medida que se move ao longo do filme. Uma distribuição estável e uniforme do campo elétrico é alcançada em UWV usando filmes de pequena espessura e revestindo o filme de GaAs com um dielétrico de grande valor.

Aplicação das equações básicas do movimento dos elétrons para o caso unidimensional (1), (3), (4) e o modo de pequeno sinal, quando os componentes constantes da corrente de convecção, intensidade do campo elétrico e densidade de carga são muito maiores que a amplitude das componentes variáveis (), leva à equação de dispersão para a propagação constante, que tem solução na forma de duas ondas.

Uma delas é uma onda direta que se propaga ao longo do filme do cátodo ao ânodo com velocidade de fase, e possui amplitude que varia de acordo com a lei:

onde é o tempo de movimento dos elétrons da entrada do dispositivo. Ao trabalhar na região do ODP, a onda direta também aumenta. A segunda onda é reversa, propaga-se do ânodo para o cátodo e atenua em amplitude como O coeficiente de difusão para GaAs é , portanto, a onda reversa decai rapidamente. De (9) o ganho do dispositivo é (dB)

(10)

Estimativa por (10) em E dá um ganho da ordem de 0,3–3 dB/µm. Deve-se ter em mente que a expressão (10) é essencialmente qualitativa. O uso direto dele para calcular ondas crescentes de uma carga espacial pode levar a erros devido à forte influência das condições de contorno para pequenas espessuras de filme, uma vez que o problema deve ser considerado bidimensional. A difusão de elétrons também deve ser levada em consideração, limitando a faixa de frequência na qual a amplificação é possível. Os cálculos confirmam a possibilidade de obter um ganho de ~0,5–1 dB/μm no UWV em frequências de 10 GHz ou mais. Tais dispositivos também podem ser usados como deslocadores de fase controlados e linhas de atraso de micro-ondas.

[EU]. Berezin e outros Dispositivos eletrônicos de microondas. – M. Escola Superior 1985.

Ministério da Educação da Federação Russa

Universidade Técnica do Estado de Oryol

Departamento de Física RESUMO

sobre o tema: “O efeito Gunn e sua utilização em diodos operando em modo gerador”.

Disciplina: “Fundamentos físicos da microeletrônica”

Concluído por um aluno dos grupos 3–4
Senador D.G.

Supervisor:

Águia. 2000

O efeito Gunn e sua utilização em diodos operando em modo gerador.

Para amplificar e gerar oscilações de micro-ondas, pode-se usar a dependência anômala da velocidade do elétron na intensidade do campo elétrico em alguns compostos semicondutores, principalmente no arsenieto de gálio. Neste caso, o papel principal é desempenhado pelos processos que ocorrem na maior parte do semicondutor, e não na junção p-n. A geração de oscilações de micro-ondas em amostras homogêneas de GaAs do tipo n com uma intensidade de campo elétrico constante acima de um valor limite foi observada pela primeira vez por J. Gunn em 1963 (portanto, tais dispositivos são chamados de diodos de Gunn). Na literatura nacional, também são chamados de dispositivos com instabilidade volumétrica ou com transferência intervalar de elétrons, uma vez que as propriedades ativas dos diodos são determinadas pela transição dos elétrons do vale de energia “central” para o “lateral”, onde são caracterizados por uma grande massa efetiva e baixa mobilidade. Na literatura estrangeira, este último nome corresponde ao termo TED (Transferred Electron Device).

onde está a constante de relaxação dielétrica; –concentração de elétrons nos n-GaAs originais. Em uma amostra homogênea à qual é aplicada uma tensão constante , um aumento local na concentração de elétrons leva ao aparecimento de uma camada carregada negativamente (Fig. 2), movendo-se ao longo da amostra do cátodo ao ânodo.

Figura 1. Dependência aproximada da velocidade de deriva do elétron na intensidade do campo elétrico para GaAs.

Figura 2. Explicar o processo de formação de uma camada de acumulação em GaAs uniformemente dopados.

Porém, tal distribuição de campo elétrico é instável e, se houver heterogeneidade na amostra na forma de saltos de concentração, mobilidade ou temperatura, pode se transformar no chamado domínio de campo forte. A intensidade do campo elétrico está relacionada à concentração de elétrons pela equação de Poisson, que para o caso unidimensional tem a forma

(1)

Figura 3. Explicar o processo de formação de um domínio dipolo.

(2)

Este modo de operação de um diodo Gunn é denominado modo de trânsito. No modo de trânsito, a corrente através do diodo consiste em pulsos seguindo um período . O diodo gera oscilações de micro-ondas com uma frequência de voo , determinado principalmente pelo comprimento da amostra e fracamente dependente da carga (foram precisamente essas oscilações que Gunn observou ao estudar amostras de GaAs e InP).

; (3)

. (4)

Tensão instantânea através do diodo. A corrente total não depende da coordenada e é função do tempo. O coeficiente de difusão é frequentemente considerado independente do campo elétrico.

Modos de operação do domínio.

. (5)

Figura 5. Para determinar os parâmetros do domínio dipolo.

A Figura 5, b mostra a dependência da tensão do domínio na intensidade do campo elétrico fora dele, onde é o comprimento do domínio (Fig. 3, c). Lá, foi construída uma “linha de instrumento” de um diodo com comprimento em uma determinada tensão, levando em consideração o fato de que a tensão total no diodo é . O ponto de intersecção A determina a tensão do domínio e a intensidade do campo fora dele. Deve-se ter em mente que o domínio ocorre em tensão constante , porém, também pode existir quando, durante o movimento do domínio em direção ao ânodo, a tensão no diodo diminui para o valor (linha pontilhada na Fig. 5, b). Se a tensão no diodo for ainda mais reduzida, tornando-se menor que a tensão de extinção do domínio, o domínio resultante será resolvido. A tensão de amortecimento corresponde ao momento em que a “linha reta do instrumento” toca a linha da Fig.

(6)

Figura 6. Diodo Gunn.

Acredita-se aproximadamente que o Domínio terá tempo para se formar totalmente no seguinte tempo:

O valor do produto da concentração de elétrons e o comprimento da amostra é denominado crítico e é designado . Este valor é o limite entre os modos de domínio do diodo Gunn e os modos com distribuição de campo elétrico estável em uma amostra uniformemente dopada. Quando um domínio de campo forte não é formado, a amostra é chamada de estável. Vários modos de domínio são possíveis. O critério de tipo é válido, a rigor, apenas para estruturas em que o comprimento da camada ativa entre o cátodo e o ânodo seja muito menor que as dimensões transversais: (Fig. 6, a), o que corresponde a um problema unidimensional e é típico de estruturas planares e mesa. Para estruturas de filme fino (Fig. 6, b), uma camada epitaxial de GaAs ativa de 1 comprimento pode ser localizada entre um substrato de alta resistividade 3 e um filme dielétrico isolante 2, feito, por exemplo, de SiO 2. Os contatos ôhmicos de ânodo e cátodo são fabricados usando métodos de fotolitografia. O tamanho transversal de um diodo pode ser comparável ao seu comprimento. Neste caso, as cargas espaciais formadas durante a formação do domínio criam campos elétricos internos que possuem não apenas uma componente longitudinal, mas também uma componente transversal (Fig. 6, c). Isso leva a uma diminuição no campo em comparação com um problema unidimensional. Quando a espessura do filme ativo é pequena, quando, o critério para ausência de instabilidade de domínio é substituído pela condição. Para tais estruturas, com distribuição estável do campo elétrico, ele pode ser maior.

Quando o diodo opera em um circuito com alta resistência, quando , a amplitude da tensão alternada pode ser bastante grande, de modo que durante alguma parte do período a tensão instantânea no diodo se torna menor que o limite (corresponde à curva 2 na Fig. .4b). Neste caso, falamos de um modo com atraso na formação do domínio. Um domínio é formado quando a tensão no diodo excede o limite, ou seja, em um momento no tempo (ver Fig. 4, d). Após a formação do domínio, a corrente do diodo diminui e permanece assim durante o tempo de vôo do domínio. Quando o domínio desaparece no ânodo em um determinado momento, a tensão no diodo é menor que o limite e o diodo representa uma resistência ativa. A mudança na corrente é proporcional à tensão no diodo até o momento em que a corrente atinge seu valor máximo e a tensão no diodo é igual ao limite. Inicia-se a formação de um novo domínio e todo o processo se repete. A duração do pulso de corrente é igual ao tempo de atraso na formação de um novo domínio. O tempo de formação do domínio é considerado pequeno comparado a e. Obviamente, tal modo é possível se o tempo de voo estiver dentro dos limites e a frequência das oscilações geradas for .

Com uma amplitude ainda maior da tensão de alta frequência, correspondente à curva 3 na Fig. 4b, a tensão mínima no diodo pode ser menor que a tensão de amortecimento do diodo. Neste caso, ocorre um modo com amortecimento de domínio (ver Fig. 4d). Um domínio é formado em um determinado momento e se dissolve em um momento em que um novo domínio começa a se formar após a tensão exceder um valor limite. Como o desaparecimento de um domínio não está associado ao seu alcance no ânodo, o tempo de voo dos elétrons entre o cátodo e o ânodo no modo de extinção de domínio pode exceder o período de oscilação: . Assim, no modo de amortecimento. O limite superior das frequências geradas é limitado pela condição e pode ser .

Modo ONOZ.

Um pouco depois dos modos de domínio, um modo de limitar o acúmulo de carga espacial foi proposto e implementado para diodos Gunn. Existe em tensões constantes no diodo, várias vezes superiores ao valor limite, e grandes amplitudes de tensão em frequências várias vezes superiores à frequência de voo. Para implementar o modo ONOS, são necessários diodos com perfil de dopagem muito uniforme. A distribuição uniforme do campo elétrico e da concentração de elétrons ao longo do comprimento da amostra é garantida pela alta taxa de variação da tensão através do diodo. Se o período de tempo durante o qual a intensidade do campo elétrico passa pela região da característica NDC for muito menor que o tempo de formação do domínio, então não há redistribuição perceptível do campo e da carga espacial ao longo do comprimento do diodo. A velocidade dos elétrons em toda a amostra “segue” a mudança no campo elétrico, e a corrente através do diodo é determinada pela dependência da velocidade no campo (Fig. 7).

Contando , , Nós temos . Esta desigualdade determina a faixa de valores dentro da qual o modo ONZ é implementado.

A eficiência eletrônica de um gerador de diodo Gunn no modo ONOS pode ser calculada a partir do formato da corrente (Fig. 7). No A eficiência máxima é de 17%.

Figura 7. Dependência temporal da corrente no diodo Gunn no modo ONOS.

Os processos considerados em um diodo Gunn em modos de domínio são essencialmente idealizados, uma vez que são realizados em frequências relativamente baixas (1–3 GHz), onde o período de oscilação é significativamente menor que o tempo de formação do domínio, e o comprimento do diodo é muito maior que o comprimento do domínio em níveis de dopagem convencionais . Na maioria das vezes, os diodos Gunn de onda contínua são usados em frequências mais altas nos chamados modos híbridos. Os modos de operação híbridos dos diodos Gunn são intermediários entre os modos ONOS e de domínio. É típico dos modos híbridos que a formação de um domínio ocupe a maior parte do período de oscilação. Um domínio formado incompletamente é resolvido quando a tensão instantânea no diodo diminui para valores abaixo do limite. A intensidade do campo elétrico fora da região de aumento da carga espacial permanece geralmente maior que o limite. Os processos que ocorrem no diodo no modo híbrido são analisados em um computador usando as equações (1), (3) e (4). Os modos híbridos ocupam uma ampla faixa de valores e não são tão sensíveis aos parâmetros do circuito quanto o modo ONOZ.

Figura 8. Eficiência eletrônica de geradores de diodo GaAs Gunn para vários modos de operação:

1–com atraso na formação de domínio

2–com supressão de domínio

Figura 9. Dependência temporal da tensão (a) e da corrente (b) de um diodo Gunn no modo de alta eficiência.

3-híbrido

Projetos e parâmetros de geradores baseados em diodos Gunn.

Em modos de domínio portanto, de acordo com Nós temos:

onde é a resistência de carga equivalente, recalculada para os terminais do diodo e igual ao módulo da resistência negativa ativa do LPD.

Em um gerador de guia de ondas (Fig. 10, a), o diodo Gunn 1 é instalado entre as paredes largas de um guia de ondas retangular na extremidade de uma haste de metal. A tensão de polarização é fornecida através da entrada do indutor 2, que é feita na forma de seções de linhas coaxiais de quarto de onda e serve para evitar a penetração de oscilações de micro-ondas no circuito da fonte de energia. O ressonador de baixo Q é formado pelos elementos de montagem do diodo no guia de ondas. A frequência do gerador é sintonizada usando um diodo varactor 3 localizado a uma distância de meia onda e instalado no guia de ondas de forma semelhante a um diodo Gunn. Freqüentemente, os diodos são incluídos em um guia de onda de altura reduzida, que é conectado a um guia de onda de saída de seção padrão por um transformador de quarto de onda.

Figura 10. Projeto de geradores baseados em diodos Gunn:

guia de ondas; b-microstrip; c – com sintonia de frequência pela esfera YIG

Em um projeto de microfita (Fig. 10, b), o diodo 1 é conectado entre a base e o condutor de tira. Para estabilizar a frequência, um ressonador dielétrico 4 de alta qualidade é usado na forma de um disco feito de um dielétrico com baixas perdas e alto valor (por exemplo, titanato de bário), localizado próximo a um condutor de tira MPL de largura. O capacitor 5 serve para separar os circuitos de potência e o caminho das microondas. A tensão de alimentação é fornecida através do circuito indutor 2, composto por duas seções MPL de quarto de onda com diferentes impedâncias de onda, e a linha com baixa resistência é aberta. O uso de ressonadores dielétricos com coeficiente de frequência de temperatura positivo torna possível criar osciladores com pequenas mudanças de frequência ao mudar a temperatura (~40 kHz/°C).

Geradores sintonizáveis em frequência baseados em diodos Gunn podem ser construídos usando monocristais de granada de ítrio e ferro (Fig. 10, c). A frequência do gerador, neste caso, muda devido à sintonia da frequência de ressonância de um ressonador de alta qualidade, que tem a forma de uma esfera YIG de pequeno diâmetro, quando o campo magnético muda. O ajuste máximo é alcançado em diodos não empacotados que possuem parâmetros reativos mínimos. O circuito de alta frequência do diodo consiste em uma volta curta envolvendo a esfera YIG 6. A conexão do circuito do diodo com o circuito de carga é realizada devido à indutância mútua fornecida pela esfera YIG e espiras de acoplamento localizadas ortogonalmente. A faixa de sintonia elétrica de tais geradores, amplamente utilizados em dispositivos de medição automática, atinge uma oitava com potência de saída de 10–20 mW.

Figura 11. Circuito equivalente generalizado de um diodo Gunn.

Amplificadores baseados em diodos Gunn.

O desenvolvimento de amplificadores baseados em diodos Gunn é de grande interesse, principalmente para a faixa de comprimento de onda milimétrica, onde o uso de transistores de micro-ondas é limitado. Uma tarefa importante na criação de amplificadores baseados em diodos Gunn é garantir a estabilidade de seu funcionamento (estabilização do diodo) e, acima de tudo, suprimir oscilações do tipo domínio de pequenos sinais. Isto pode ser conseguido limitando o parâmetro do diodo, carregando o diodo com um circuito externo, escolhendo um perfil de dopagem do diodo, reduzindo a seção transversal ou aplicando um filme dielétrico à amostra. Como amplificadores, são utilizados diodos planares e de mesaestrutura, que possuem condutividade negativa em tensões acima do limite em uma ampla faixa de frequência próxima à frequência de vôo e são usados como amplificadores reflexivos regenerativos com circulador na entrada, bem como estruturas de filme mais complexas que usam o fenômeno de carga espacial de crescimento de onda em um material com NDC, geralmente chamados de amplificadores de ondas viajantes de filme fino (TWA).

Figura 12. Perfil de dopagem (a) e distribuição de campo (b) em um diodo Gunn com região catódica de alta resistência.

Os tipos de amplificadores considerados são caracterizados por uma ampla faixa dinâmica, uma eficiência de 2–3% e um valor de ruído de ~ 10 dB na faixa de comprimento de onda centimétrica.

Está em andamento o desenvolvimento de amplificadores de ondas viajantes de filme fino (Fig. 13), que fornecem amplificação unidirecional em uma ampla faixa de frequência e não requerem o uso de circuladores de desacoplamento. O amplificador é uma camada epitaxial de GaAs 2 de espessura (2–15 μm), cultivada em um substrato de alta resistividade 1. Os contatos ôhmicos do cátodo e do ânodo estão localizados a uma distância um do outro e garantem o desvio dos elétrons ao longo do filme quando uma tensão constante é aplicado a eles. Dois contatos 3 na forma de uma barreira Schottky com largura de 1–5 μm são usados para entrada e saída do sinal de micro-ondas do dispositivo. O sinal de entrada fornecido entre o cátodo e o primeiro contato Schottky excita uma onda de carga espacial no fluxo de elétrons, que muda de amplitude à medida que se move em direção ao ânodo com velocidade de fase.

Figura 13. Diagrama de um amplificador de onda viajante de filme fino GaAs com deriva longitudinal

Uma delas é uma onda direta que se propaga ao longo do filme do cátodo ao ânodo com velocidade de fase, e possui amplitude que varia de acordo com a lei:

(10)

[EU]. Berezin e outros Dispositivos eletrônicos de microondas. – M. Escola Superior 1985.

Discussão das equações (1) com o objetivo de modificá-las para o campo do potencial vetorial EM, uma vez que as novas equações permitirão descrever de forma consistente os processos de ação não térmica dos campos eletrodinâmicos em meios materiais: os elétricos e magnéticos polarização do meio, a transferência do momento angular do impulso EM para ele. As relações iniciais da relação primária entre os componentes do campo EM e o campo do potencial vetorial EM com...

Polaridades das fontes de alimentação na Figura 3.4 e direções das correntes para um transistor p-n-p. No caso de um transistor npn, as polaridades da tensão e as direções da corrente são invertidas. Figura 3.4 Processos físicos em BT. Este modo de operação (NAR) é o principal e determina a finalidade e o nome dos elementos do transistor. A junção do emissor injeta portadores em um estreito...

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Controle de temperatura; Diodos planos de germânio e silício. Conhecimentos teóricos nutricionais necessários ao trabalho laboratorial: 1. Processos físicos que ocorrem como resultado do contacto de condutores com diferentes tipos de condutividade. 2. Transição do diretório eletrônico na estação igual. Diagrama de energia. 3. Injeção e extração da carga. 4. Característica Volt-Ampere (...

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Introdução

A origem e o desenvolvimento da microeletrônica como uma nova direção científica e técnica que garante a criação de equipamentos radioeletrônicos complexos (REA) estão diretamente relacionados à situação de crise que surgiu no início dos anos 60, quando os métodos tradicionais de fabricação de REA a partir de elementos discretos por sua montagem sequencial não poderia fornecer a confiabilidade, eficiência, consumo de energia, tempo de fabricação e dimensões aceitáveis de REA necessários.

Apesar do curto período de existência, a interligação da microeletrónica com outras áreas da ciência e tecnologia tem garantido taxas de desenvolvimento invulgarmente elevadas desta indústria e reduziu significativamente o tempo para a implementação industrial de novas ideias. Isto também foi facilitado pelo surgimento de ligações de feedback peculiares entre o desenvolvimento de circuitos integrados, que são a base para a automação da produção e gestão, e a utilização desses desenvolvimentos para automatizar o próprio processo de projeto, produção e teste de circuitos integrados.

O desenvolvimento da microeletrônica trouxe mudanças fundamentais nos princípios de design de dispositivos eletrônicos e levou ao uso de integração complexa, que consiste em:

integração estrutural ou de circuito (isto é, integração de funções de circuito dentro de uma única unidade estrutural); com o grau de integração da ordem de centenas e milhares de componentes, os métodos existentes de divisão de sistemas em componentes, dispositivos, subsistemas e blocos, bem como as formas de coordenação do desenvolvimento de componentes, dispositivos e subsistemas, tornam-se ineficazes; ao mesmo tempo, o centro de gravidade desloca-se para a área dos circuitos, o que exige uma reestruturação radical dos métodos de implementação de sistemas eletrónicos com a construção de equipamentos ao nível supermodular;

1.O papel da tecnologia de película fina na produção de circuitos integrados

A eletrônica integrada está se desenvolvendo não como um campo de tecnologia novo ou separado, mas pela generalização de muitas técnicas tecnológicas anteriormente utilizadas na produção de dispositivos semicondutores discretos e na fabricação de revestimentos de filmes com revestimento superior. De acordo com isso, duas direções principais foram identificadas na eletrônica integrada: semicondutores e filmes finos.

A criação de um circuito integrado em um único wafer semicondutor monocristalino (até agora apenas silício) é um desenvolvimento natural dos princípios tecnológicos de criação de dispositivos semicondutores desenvolvidos nas últimas décadas, que, como se sabe, têm se comprovado em operação.

A direção do filme fino da eletrônica integrada é baseada no crescimento sequencial de filmes de vários materiais em uma base comum (substrato) com a formação simultânea de micropartes (resistores, capacitores, placas de contato, etc.) e conexões no circuito de esses filmes.

Há relativamente pouco tempo, CIs semicondutores (sólidos) e híbridos de película fina foram considerados direções concorrentes no desenvolvimento de eletrônicos integrados. Nos últimos anos, tornou-se evidente que estas duas direções não são de todo exclusivas, mas, pelo contrário, complementam-se e enriquecem-se mutuamente. Além disso, até hoje não foram criados circuitos integrados utilizando qualquer tipo de tecnologia (e, aparentemente, não há necessidade disso). Mesmo os circuitos de silício monolíticos, fabricados principalmente com tecnologia de semicondutores, utilizam simultaneamente métodos como a deposição a vácuo de filmes de alumínio e outros metais para produzir conexões no circuito, isto é, métodos nos quais se baseia a tecnologia de filmes finos.

A grande vantagem da tecnologia de filme fino é a sua flexibilidade, expressa na capacidade de selecionar materiais com parâmetros e características ideais e de obter, de fato, qualquer configuração e parâmetros necessários de elementos passivos. Neste caso, as tolerâncias com as quais os parâmetros individuais dos elementos são mantidos podem ser aumentadas para 1-2%. Esta vantagem é especialmente eficaz nos casos em que o valor exato das classificações e a estabilidade dos parâmetros dos componentes passivos são críticos (por exemplo, na fabricação de circuitos lineares, circuitos resistivos e RC, alguns tipos de filtros, sensíveis à fase e circuitos seletivos, geradores, etc.).

Devido ao contínuo desenvolvimento e melhoria da tecnologia de semicondutores e de filmes finos, bem como à crescente complexidade dos CIs, que se reflete num aumento no número de componentes e na complexidade das suas funções, deve-se esperar que no próximo no futuro haverá um processo de integração de métodos e técnicas tecnológicas e os CI mais complexos serão fabricados utilizando tecnologia convergente. Nesse caso, é possível obter parâmetros e confiabilidade do IC que não podem ser alcançados utilizando cada tipo de tecnologia separadamente. Por exemplo, na fabricação de um CI semicondutor, todos os elementos (passivos e ativos) são realizados em um processo tecnológico, portanto os parâmetros dos elementos estão inter-relacionados. Os elementos ativos são decisivos, pois normalmente a junção base-coletor do transistor é utilizada como capacitor, e a região de difusão resultante da criação da base do transistor é utilizada como resistor. É impossível otimizar os parâmetros de um elemento sem alterar simultaneamente as características dos outros. Dadas as características dos elementos ativos, as classificações dos elementos passivos só podem ser alteradas alterando os seus tamanhos.

Ao usar tecnologia combinada, os elementos ativos são mais frequentemente fabricados usando tecnologia planar em um wafer de silício, e os elementos passivos são fabricados usando tecnologia de filme fino em elemento por elemento oxidado (resistores e às vezes capacitores) - a superfície do mesmo wafer de silício . Contudo, os processos de fabricação das partes ativa e passiva do CI são separados no tempo. Portanto, as características dos elementos passivos são amplamente independentes e determinadas pela escolha do material, espessura do filme e geometria. Como os transistores de um IC híbrido estão localizados dentro do substrato, o tamanho desse circuito pode ser significativamente reduzido em comparação com os ICs híbridos, que usam elementos ativos discretos que ocupam uma quantidade relativamente grande de espaço no substrato.

Os circuitos feitos com tecnologia combinada apresentam uma série de vantagens indiscutíveis. Por exemplo, neste caso é possível obter resistências com um grande valor e um pequeno coeficiente de resistência de temperatura, tendo uma largura muito estreita e uma elevada resistência superficial, numa pequena área. O controle da taxa de deposição durante a produção dos resistores permite que eles sejam fabricados com altíssima precisão. Os resistores obtidos por deposição de filme não são caracterizados por correntes de fuga através do substrato mesmo em altas temperaturas, e a condutividade térmica relativamente alta do substrato evita a possibilidade de áreas com temperaturas elevadas aparecerem nos circuitos.

Filmes finos, além da produção de CIs utilizando tecnologia epitaxial-planar, são amplamente utilizados na produção de CIs híbridos, bem como na fabricação de novos tipos de dispositivos microeletrônicos (dispositivos de carga acoplada, carregadores criotron baseados no Josephson efeito, carregadores em domínios magnéticos cilíndricos, etc.).

2. Metalização de filme fino de dispositivos semicondutores e circuitos integrados

Na fabricação de dispositivos semicondutores e CIs para produção de contatos ôhmicos para silício, interconexões e placas de contato, bem como eletrodos de porta de estruturas MOS, os filmes de alumínio se difundiram, devido às seguintes vantagens deste metal:

baixo custo do Al e possibilidade de utilização de um metal para todos os processos de metalização, o que simplifica e reduz significativamente o custo da tecnologia e evita a ocorrência de efeitos galvânicos;

alta condutividade elétrica dos filmes de Al, próxima à condutividade elétrica do material a granel; facilidade de evaporação de Al no vácuo a partir de cadinhos de tungstênio e evaporadores de feixe de elétrons;

alta adesão de A1 ao silício e seus óxidos; contato de baixa resistência do Al com silício e condutividade tipo n;

solubilidade perceptível do silício em Al com a formação de uma solução sólida que quase não reduz a condutividade elétrica;

a ausência de compostos químicos no sistema Al-Si;

interação química de A1 com Si02, permanecendo parcialmente nas almofadas de contato; resistência química A1 em ambiente oxidante e resistência à radiação;

facilidade de operações fotolitográficas para obtenção da configuração de trilhas condutoras utilizando agentes corrosivos que não reagem com silício e dióxido de silício; boa ductilidade do Al e resistência às mudanças cíclicas de temperatura.

O tamanho do grão dos filmes de Al depositados depende significativamente da taxa de evaporação e da temperatura dos substratos. Quanto maior o tamanho do grão e mais perfeita a estrutura cristalina do filme, menor será sua resistividade, menor será o efeito da eletromigração e, como resultado, os caminhos condutores de corrente e os contatos ôhmicos terão uma vida útil mais longa. O crescimento orientado de filmes de Al em superfícies de silício não oxidadas no plano (111) é observado em taxas de deposição de cerca de 3 * 10-2 μm * s-1 e uma temperatura de substrato de 200--250°C.

Para obter taxas de deposição de filme tão altas, os evaporadores de feixe de elétrons são mais frequentemente usados. Neste caso, o grau de perfeição da estrutura cristalina dos filmes pode mudar incontrolavelmente devido ao aquecimento adicional por radiação dos substratos, cuja magnitude depende tanto da potência do evaporador, quanto do material do substrato e da espessura do filme depositado. Mudanças descontroladas na estrutura do filme também surgem devido à presença de partículas carregadas no feixe molecular do vapor de Al evaporado. Quanto maior a corrente de emissão do cátodo e maior a taxa de evaporação, maior será a concentração de partículas carregadas.

Uma das desvantagens significativas dos filmes de Al puro é a transferência de matéria como resultado da eletrodifusão (o desvio dos íons do material ao longo de um condutor, se há diferença de potencial nas extremidades deste). A velocidade do movimento dos íons é função da temperatura e aumenta com a temperatura. Além da eletrodifusão, a difusão de átomos metálicos é possível como resultado da diferença de temperatura nas extremidades do condutor. Se o Al for depositado no óxido de silício, isso causa má dissipação de calor, aparecimento de centros “quentes” nos caminhos condutores e, como resultado, gradientes de temperatura significativos. A eletromigração do Al em densidades de corrente inferiores às de outros metais leva ao aparecimento de vazios no filme (efeito Kirkendall).

Como a eletrodifusão é um processo de ativação, ela depende significativamente do estado da superfície do contorno do grão. A redução da extensão dos limites através do aumento do tamanho dos grãos e da seleção de um material de revestimento protetor pode aumentar significativamente a energia de ativação e, como consequência, o tempo entre as falhas. Um aumento significativo no tempo entre falhas pode ser alcançado adicionando impurezas de cobre, magnésio, cromo e óxido de alumínio ao alumínio.

Depois de aplicar o filme A1 e obter a configuração necessária das trilhas condutoras de corrente, A1 é fundido em silício a uma temperatura de 500-550°C para obter um contato de baixa resistência. A migração do excesso de silício nos caminhos de corrente adjacentes aos substratos de contato causa descascamento de A1 e falhas de IC. Para evitar isso, é necessário introduzir cerca de 2% em peso quando A1 evapora. % silício. A adição de silício às almofadas de contato de A1 reduz a migração de silício da camada emissora rasa (cerca de 1 μm), o que aumenta significativamente o desempenho do IC em transistores bipolares e evita curto-circuito das junções emissoras rasas no IC . Para evitar a migração de silício para o filme A1, um filme de titânio pode ser usado como camada intermediária. A utilização do método de criação de contatos ôhmicos com subcamada de titânio em CIs de ação rápida possibilitou aumentar em 20 vezes o tempo entre falhas. Além do titânio, uma camada inferior de platina ou paládio pode ser usada para formar siliceto de platina ou siliceto de paládio.

Juntamente com as vantagens listadas anteriormente, a metalização do alumínio tem uma série de desvantagens significativas, das quais as mais importantes são as seguintes:

baixa energia de ativação dos átomos A1, causando eletromigração em densidades de corrente de aproximadamente 106 A/cm2 e temperaturas elevadas, resultando no aparecimento de vazios nos filmes;

a possibilidade de curto-circuito através do dielétrico em sistemas de metalização multinível devido à formação de saliências pontiagudas no espeto como resultado da eletromigração e recristalização de A1;

perigo de corrosão galvânica do Al ao utilizar outros metais simultaneamente; alta taxa de difusão de A1 ao longo dos contornos de grão, o que não permite o uso de dispositivos com metalização de A1 em temperaturas acima de 500°C;

intensa interação química de A1 com dióxido de silício a uma temperatura de cerca de 500°C;

o baixo ponto de fusão na eutética dos sistemas alumínio-silício é de cerca de 577°C;

uma grande diferença (6 vezes) entre os coeficientes de expansão térmica A1 e 51;

maciez de A1 e, portanto, baixa resistência mecânica dos filmes;

impossibilidade de conectar cabos por soldagem;

alta tensão de limiar em estruturas MOS devido à alta função de trabalho.

Devido às desvantagens listadas, a metalização do alumínio não é usada em CIs e transistores com pequenas junções de emissor, bem como em CIs MIS para... criar eletrodos de porta. Para este efeito, são utilizados sistemas monocamada e multicamadas feitos de vários metais (incluindo A1 para a camada superior). Os materiais mais adequados são o tungstênio e o molibdênio. Em particular, o tungstênio tem quase o mesmo TCR que o silício, bom contato ôhmico com a condutividade do silício e do tipo n, uma pequena diferença (2,5 vezes) do alumínio na condutividade elétrica, a maior energia de ativação de todos os metais durante a autodifusão, alta temperatura de fusão do eutético com silício, inércia química ao ar e em solução aquosa de ácido fluorídrico, além de alta dureza, o que elimina a possibilidade de arranhões no filme.

Devido à resistência a altas temperaturas do W, ele pode ser usado para metalização multicamadas, alternando camadas de dióxido de silício com W. Durante o tratamento térmico, nenhum montículo é formado na superfície do filme e não há perigo de curto-circuito entre caminhos de transporte de corrente na metalização multicamadas. Além disso, os filmes W (assim como os filmes Mo) são uma barreira metalúrgica que impede a formação de uma estrutura intercristalina de silício e alumínio.

A desvantagem da metalização W é a dificuldade de obter filmes (para os quais normalmente se utiliza a pirólise de hexofluoreto de tungstênio) e gravá-los (em solução alcalina de ferrocianeto). Ambos os processos são complexos e envolvem substâncias tóxicas. Além disso, é impossível conectar condutores externos diretamente ao tungstênio, então algum outro metal (Pt, Ni, Au, Cu, Al, etc.) é aplicado sobre ele nas almofadas de contato.

Na fabricação de CIs de micro-ondas, CIs para fins especiais e também na tecnologia híbrida, é utilizada a metalização, composta por diversas camadas de metais finos. Neste caso, normalmente a primeira camada (inferior) de metal deve ter alta adesão tanto ao silício quanto ao dióxido de silício e ao mesmo tempo ter baixos coeficientes de solubilidade e difusão nesses materiais. Esses requisitos são atendidos por metais como cromo, titânio, molibdênio e siliceto de platina. Com a metalização de duas camadas, a segunda camada (superior) de metal deve ter alta condutividade elétrica e garantir a soldagem dos fios que chegam até ela. No entanto, em alguns sistemas (como Cr-Au, Ti-Au ou Cr-Cu) os contatos

Durante o tratamento térmico, perdem resistência mecânica como resultado da formação de compostos intermetálicos em seus limites. Além disso, o metal sobrejacente se difunde através da camada subjacente para o silício, o que reduz a resistência mecânica da junta e altera a resistência de contato. Para eliminar esse fenômeno, costuma-se utilizar uma terceira camada de metal, que é uma barreira que impede a interação da camada superior de metalização com o silício. Por exemplo, no sistema triplo Tt-Pl-Au, que é utilizado na fabricação de terminais de vigas, a camada

Arroz. 1. Esquema do processo de fabricação de metalização em dois níveis no sistema A1-A1rOz-A1. filme fino integrado microeletrônica

a-- aplicação de camadas grossas e finas de óxido de silício antes da metalização (a área de contato ôhmico é mostrada); b - aplicação de alumínio, formando o primeiro nível; c - fotogravura do metal de primeiro nível; d - anodização do primeiro nível de metalização com máscara fotorresistente; e - aplicação de alumínio formando o segundo nível;

Pt com espessura de cerca de 5X10-2 μm serve como barreira contra a difusão de A1 em S1. Além disso, para terminais de feixe em CIs MIS, são utilizados os sistemas Cr-Ag-Au, Cr-Ag-Pt, Pd-Ag-Au, nos quais um filme de prata desempenha o papel de barreira. Para ICs híbridos e linhas de IC de micro-ondas stripline, são usados os sistemas Cr-Cu e Cr-Cu-Cr.

Aumentar a densidade dos elementos no chip exigiu o uso de metalização multinível. Na Fig. A Figura 1 mostra a sequência de fabricação da metalização em dois níveis no sistema A1-A1203-A1, que é utilizado em dispositivos de carga acoplada.

Um material isolante relativamente novo para metalização multinível é a poliimida, com a qual é obtida a metalização de cinco níveis de LSIs em transistores MOS.

3. Fatores que afetam as propriedades dos filmes finos

O crescimento de uma substância em um substrato a partir de outra substância é um processo muito complexo, dependendo de um grande número de parâmetros difíceis de controlar: a estrutura do substrato, o estado de sua superfície, a temperatura, as propriedades da substância evaporada e a taxa de sua deposição, o material e design do evaporador, o grau de vácuo, a composição do ambiente residual e vários outros. Na tabela A Figura 1 mostra a relação entre as propriedades dos filmes e as condições de sua deposição.

Propriedades do filme

fatores que influenciam essas propriedades

Tamanho de grão

Substrato e material de filme. Contaminação do substrato.

Mobilidade dos átomos do material depositado na superfície

substratos (temperatura do substrato, taxa de deposição).

Estrutura da superfície do substrato (grau de rugosidade,

presença de cristais)

Colocação de cristal

Estrutura do substrato "" (monocristalina,

policristalino ou amorfo). Contaminação do substrato

(violação da estrutura do filme). Temperatura do substrato

(garantindo a mobilidade necessária dos átomos do depositado

material)

Adesão entre filmes

Substrato e material de filme. Processos adicionais

(por exemplo, a formação de uma camada intermediária de óxido

entre o filme e o substrato). Contaminação do substrato.

Mobilidade de átomos de material depositado

Poluição

Pureza do material evaporado. Material do evaporador.

Contaminação do substrato. Grau de vácuo e composição

gases e taxa de deposição

Oxidação

O grau de afinidade química do material depositado com

oxigênio. Absorção de vapor d'água pelo substrato.

Temperatura do substrato. Grau de vácuo e composição

ambiente residual. A relação entre pressão residual

gases e taxa de deposição

Tensão

Filme e material de substrato. Temperatura do substrato.

Tamanho de grão, inclusões, defeitos cristalográficos em

filme. Anelamento. Ângulo entre o feixe molecular e o substrato

Dependendo das condições específicas de deposição, filmes da mesma substância podem apresentar as seguintes características estruturais principais: estrutura amorfa, caracterizada pela ausência de rede cristalina; estrutura coloidal (de granulação fina), caracterizada pela presença de cristais muito pequenos (menos de 10~2 µm); estrutura granular (grão grosso) com cristais grandes (10-1 µm ou mais); estrutura monocristalina, quando todo o filme é uma rede cristalina contínua de átomos de um determinado material.

4. Substratos

O material utilizado para a fabricação dos substratos deve ter composição homogênea, superfície lisa (com grau de acabamento 12-14), possuir alta resistência elétrica e mecânica, ser quimicamente inerte, possuir alta resistência ao calor e condutividade térmica, coeficientes de expansão térmica do material do substrato e do filme depositado devem ter valor próximo. É bastante claro que é quase impossível selecionar materiais para substratos que satisfaçam igualmente todos os requisitos listados.

Como substratos para CIs híbridos utilizo vitrocerâmica, fotositall, cerâmica de alta alumina e berílio, vidro, policor, poliimida, bem como metais revestidos com filme dielétrico.

Sitalls são materiais vitrocerâmicos obtidos por tratamento térmico (cristalização) do vidro. A maior parte das cerâmicas vítreas foi obtida nos sistemas Li2O-Al2O3-SiO2-TiO2 e RO-Al2O3-SiO2-TiO2 (CO tipo CaO, MgO, BaO).

Ao contrário da maioria dos materiais cristalinos refratários de alta resistência, a vitrocerâmica tem boa flexibilidade durante a formação. Pode ser prensado, trefilado, laminado e fundido centrifugamente e pode suportar mudanças bruscas de temperatura. Possui baixas perdas dielétricas, sua resistência elétrica não é inferior aos melhores tipos de cerâmica a vácuo e sua resistência mecânica é 2 a 3 vezes mais forte que a do vidro. Sitall não é poroso, é à prova de gases e apresenta evolução insignificante de gases em altas temperaturas.

Como as vitrocerâmicas têm estrutura multifásica, quando expostas a diversos reagentes químicos utilizados, por exemplo, para limpar a superfície do substrato de contaminantes, é possível o ataque seletivo profundo de fases individuais, levando à formação de um relevo nítido e profundo. na superfície do substrato. A presença de rugosidade na superfície do substrato reduz a reprodutibilidade dos parâmetros e a confiabilidade dos resistores e capacitores de película fina. Portanto, para reduzir a altura e suavizar as bordas das microirregularidades, às vezes é aplicada uma camada de primer de um material com boas propriedades dielétricas e adesivas, bem como uma estrutura uniforme (por exemplo, uma camada de monóxido de silício com vários mícrons de espessura). ao substrato.

Dos vidros, são utilizados como substratos vidros de silicato amorfo, vidro isento de álcalis C48-3, vidro borossilicato e vidro de quartzo. Os vidros de silicato são obtidos a partir de uma fusão líquida de óxidos por super-resfriamento, preservando a estrutura do líquido, ou seja, o estado amorfo característico. Embora os vidros contenham áreas com fase cristalina - cristalitos, eles estão distribuídos aleatoriamente por toda a estrutura, ocupam uma pequena parte do volume e não têm efeito significativo na natureza amorfa do vidro.

O vidro de quartzo é um vidro de silicato monocomponente, constituído quase inteiramente por silício e obtido pela fusão de suas variedades naturais. Possui um coeficiente de expansão térmica muito baixo, o que determina sua resistência ao calor excepcionalmente alta. Comparado com outros vidros, o vidro de quartzo é inerte à ação da maioria dos reagentes químicos. Ácidos orgânicos e minerais (com exceção dos ácidos fluorídrico e fosfórico) de qualquer concentração, mesmo em temperaturas elevadas, quase não têm efeito sobre o vidro de quartzo.

Os substratos cerâmicos são de uso limitado devido à sua alta porosidade. As vantagens desses substratos são alta resistência e condutividade térmica. Por exemplo, um substrato cerâmico à base de BeO tem condutividade térmica 200-250 vezes maior que o vidro, portanto, sob condições térmicas intensas, é aconselhável usar cerâmica de berílio. Além da cerâmica de berílio, são utilizadas cerâmicas com alto teor de alumina (94% Al2Oz), óxido de alumínio denso, cerâmicas de esteatita e cerâmicas esmaltadas à base de óxido de alumínio. Deve-se notar que os esmaltes têm menos de 100 mícrons de espessura e, portanto, não proporcionam uma barreira perceptível entre o filme e o substrato em níveis de potência baixos. A microrugosidade da cerâmica não tratada é centenas de vezes maior que a do vidro, atingindo vários milhares de angstroms. Eles podem ser significativamente reduzidos pelo polimento, mas isso contamina significativamente a superfície cerâmica.

A presença de contaminantes no substrato tem um efeito significativo tanto na adesão como nas propriedades elétricas dos filmes. Portanto, antes da deposição, é necessário limpar minuciosamente os substratos, bem como protegê-los da possibilidade do aparecimento de películas de óleo que podem surgir como resultado da migração dos vapores do fluido de trabalho das bombas. Um método de limpeza eficaz é o bombardeio iônico da superfície do substrato em um plasma de descarga luminosa. Para este propósito, geralmente são fornecidos eletrodos especiais na câmara de trabalho de uma instalação de vácuo, aos quais uma tensão de vários quilovolts é fornecida por uma fonte de baixa tensão e alta tensão. Os eletrodos são geralmente feitos de alumínio porque tem a menor taxa de pulverização catódica entre os metais.

Deve-se ter em mente que mesmo uma pequena contaminação pode alterar completamente as condições de crescimento do filme. Se os contaminantes estiverem localizados no substrato na forma de pequenas ilhas isoladas umas das outras, dependendo de qual energia de ligação for maior: entre o material do filme e o material contaminante ou entre o material do filme e o substrato, um filme pode se formar em nessas ilhas ou em partes nuas do substrato.

A adesão do filme depende em grande parte da presença de uma camada de óxido, que pode surgir durante o processo de deposição entre o filme e o substrato. Essa camada de óxido é formada, por exemplo, durante a deposição de ferro e nicrômio, o que explica a boa adesão desses filmes. Filmes feitos de ouro, que não estão sujeitos à oxidação, apresentam baixa adesão e, portanto, deve ser criada uma subcamada intermediária de um material com alta adesão entre o ouro e o substrato. É desejável que a camada de óxido resultante esteja concentrada entre o filme e o substrato. Se o óxido estiver disperso por todo o filme ou localizado em sua superfície, as propriedades do filme podem mudar significativamente. A formação de óxidos é fortemente influenciada pela composição dos gases residuais no volume de trabalho da instalação e, em particular, pela presença de vapor de água.

5. Resistores de filme fino

Os materiais utilizados na fabricação de filmes resistivos devem fornecer a capacidade de obter uma ampla gama de resistores estáveis no tempo e com baixo coeficiente de resistência de temperatura (TCR), ter boa adesão, alta resistência à corrosão e resistência à exposição prolongada a temperaturas elevadas. Quando o material é depositado no substrato, linhas finas e claras de configuração complexa devem ser formadas com boa repetibilidade do padrão de amostra para amostra.

Os filmes resistivos geralmente têm uma estrutura dispersa de granulação fina. A presença da dispersão r, a estrutura dos filmes permite, numa primeira aproximação, considerar a sua resistência elétrica como a resistência total dos grânulos individuais e das barreiras entre eles, em que a natureza da resistência total determina a magnitude e o sinal de TK .S. Assim, por exemplo, se a resistência dos próprios grãos for predominante, então a condutividade do filme será de natureza metálica e o TCR será positivo. Por outro lado, se a resistência for devida à passagem de elétrons através dos espaços entre os grãos (o que geralmente ocorre com pequenas espessuras de filme), então a condutividade será de natureza semicondutora e o TCR será consequentemente negativo.

A fabricação de IC monolítico usa principalmente resistores de alta impedância. Para que os resistores sejam tão pequenos quanto possível, eles devem ser fabricados com a mesma resolução e tolerância que outros elementos de IC. Isso exclui o uso de máscaras metálicas livres para obter a configuração necessária dos resistores e permite que isso seja realizado apenas por fotolitografia.

Ao fabricar CIs monolíticos de micropotência usando tecnologia combinada, torna-se necessário colocar resistores de alta resistência com resistência de até vários megaohms em uma área relativamente pequena do cristal, o que só pode ser alcançado se o material do resistor tiver Rs (10--20) kOhm/c. O processo de fabricação de resistores deve ser combinado com o processo tecnológico principal de fabricação de todo o IC de silício utilizando tecnologia planar ou epitaxial-planar. Por exemplo, os filmes resistivos não devem ser sensíveis à presença de nitreto de silício, fósforo, vidro borossilicato e outros materiais utilizados na produção de CIs monolíticos na pastilha de silício. Eles devem suportar a temperatura relativamente alta (500-550°C) que ocorre durante o processo de vedação do IC e, em alguns casos, não devem alterar suas propriedades sob a influência de um ambiente oxidante. Os CIs monolíticos usam principalmente nicromo e tanta para fazer resistores.

Na fabricação de CIs híbridos, é utilizada uma gama muito mais ampla de materiais de resistores de película fina.

Como filmes de baixa resistência com Rs de 10 a 300 Ohm. São utilizados filmes de cromo, nicromo e t-tal. A produção de filmes de cromo com propriedades eletrofísicas reprodutíveis é um tanto complicada por sua capacidade de formar compostos (especialmente óxidos) ao interagir com gases residuais durante a evaporação e deposição. Os resistores à base de liga de cromo-níquel (20% Cr e 80% Ni) apresentam características significativamente mais estáveis. Os filmes de tântalo, devido à presença de diversas modificações estruturais, apresentam uma faixa muito ampla de resistências superficiais (de vários Ohm/s para um -tântalo a vários MOhm/s para tântalo de baixa densidade) O nitreto de tântalo também é usado como um material resistivo altamente estável.

Uma expansão significativa das classificações do resistor é alcançada usando filmes metalocerâmicos e filmes de silicietos de alguns metais.Nestes sistemas, o cromo é mais frequentemente usado como metal, e óxidos, boretos, nitretos e silicietos de metais de transição, bem como óxidos de alguns metalóides são usados como dielétricos. Filmes feitos de dissilicieto de cromo, assim como filmes feitos de uma liga de silício, cromo e níquel, têm Rs de até 5 kOhm/s; para filmes baseados em sistemas cromo --- monóxido de silício Rs, dependendo do teor de cromo, pode variar de unidades a centenas de Ohms/s.

6. Capacitores de filme fino

Os capacitores de filme fino, apesar da aparente simplicidade da estrutura de três camadas, são os mais complexos e trabalhosos em comparação com outros elementos passivos de filme.

Ao contrário dos resistores, pads e interruptores, em cuja fabricação basta depositar uma ou duas camadas (subcamada e camada), a fabricação de capacitores de filme fino requer a deposição de pelo menos três camadas: a placa inferior, o filme dielétrico e a placa superior (o uso de mais placas complica o processo de fabricação dos capacitores e aumenta seu custo).

O material utilizado para a fabricação dos filmes dielétricos deve ter boa aderência ao metal utilizado nas placas dos capacitores, ser denso e não sujeito a destruição mecânica quando exposto a ciclos de temperatura, possuir alta tensão de ruptura e baixas perdas dielétricas, possuir alto dielétrico constante, e não se decompõe durante o processo de evaporação e deposição e possui higroscopicidade mínima.

Os materiais mais comuns usados como dielétricos em capacitores de filme são o monóxido de silício (Si0) e o monóxido de germânio (GeO). Nos últimos anos, vidros de aluminossilicato, borosilicato e antimonidogermânio têm sido utilizados para esse fim.

Os dielétricos mais promissores são os compostos vítreos compostos, pois têm a capacidade de alterar as propriedades eletrofísicas, físico-químicas e termodinâmicas em uma ampla faixa, selecionando a composição do vidro e implementando as características do estado agregativo dos sistemas vítreos em película fina de metal. -estruturas metálicas dielétricas.

7. Filmes de tântalo e seus compostos

Nos últimos anos, os filmes de tântalo e seus compostos tornaram-se cada vez mais difundidos na fabricação de elementos de filmes de circuitos integrados. A escolha do tântalo como matéria-prima é em grande parte explicada pelo fato de que, dependendo das condições de obtenção dos filmes de talalum, eles podem ter uma estrutura diferente e, consequentemente, alterar tanto sua resistividade quanto seu coeficiente de temperatura dentro de amplos limites.

Em termos de estrutura cristalina e propriedades elétricas, os filmes de b-tântalo estão mais próximos da amostra global, possuem uma estrutura cristalina grosseira centrada no corpo e possuem uma resistividade relativamente baixa (20-40 μOhm-cm). Ao contrário do k-tântalo, o p-tântalo, que possui uma estrutura cristalina fina tetragonal e uma resistividade de 160-200 km Ohm * cm, não é encontrado em amostras massivas. Esta modificação metaestável do tântalo é característica apenas de filmes finos.

A produção de filmes de b - e c - tântalo é geralmente realizada por pulverização catódica a uma tensão de 4-5 kV e uma densidade de corrente de 0,1-1 mA/cm2. Se você reduzir a tensão e não aumentar a pressão do argônio, a corrente de descarga diminuirá, o que levará a uma diminuição significativa na taxa de deposição. Isto produz filmes de baixa densidade, possuindo uma estrutura altamente porosa com tamanhos de poros de (4--7)-10-3 µm, consistindo de um maior número de grãos de k- ou p-tântalo com tamanhos de cristal de (3--5 ) * 10-2 µm. A alta porosidade dos filmes e o aparecimento do sistema de mistura metal-dielétrica provocam um aumento anômalo da resistividade (cerca de 200 vezes em relação ao b-tântalo) e uma alteração no seu coeficiente de temperatura. Se o nitrogênio for adicionado ao argônio em uma quantidade que excede significativamente o fundo dos gases residuais, filmes de nitreto de tântalo podem ser obtidos com dois estados estáveis Ta2N e TaN com diferentes estruturas cristalinas e propriedades elétricas.

A presença de diversas modificações do tântalo (b- e b-tântalo, tântalo de baixa densidade) e seu nitreto permite escolher uma variedade de soluções topológicas no projeto da parte passiva dos microcircuitos.

O b-tântalo puro, devido às altas tensões mecânicas no filme e à má adesão ao substrato, não tem ampla utilização na fabricação de elementos RC de microcircuitos, é utilizado para a fabricação das placas inferiores dos capacitores e parcialmente; para a produção de resistores. Nitreto de tântalo e tântalo de baixa densidade são usados para fazer resistores. O valor prático do tântalo de baixa densidade reside na capacidade de obter resistores de filme fino altamente estáveis (de 10 kOhm a vários megaohms), de tamanho pequeno e configuração simples. Capacitores de filme fino podem ser feitos muito mais facilmente a partir de tântalo de baixa densidade, pois neste caso o eletrodo superior, assim como o inferior, podem ser obtidos por pulverização catódica de tântalo, enquanto ao usar tântalo de densidade normal, tenta-se obter o topo eletrodo desta forma muitas vezes resultava em danos à camada dielétrica. Além disso, o tântalo de baixa densidade permite produzir circuitos RC com parâmetros distribuídos e valor de resistor ajustável, que pode ser usado como eletrodo superior de um capacitor.

O pentóxido de tântalo (Ta2O5), obtido por anodização eletrolítica ou a plasma, apresenta baixas perdas dielétricas e pode ser utilizado tanto como dielétrico para um capacitor quanto como isolante ou camada protetora para um resistor. Além disso, a anodização pode ser usada para ajustar com precisão os valores de capacitores e resistores. O uso da gravação iônica, bem como a solubilidade do nitreto de tântalo, do tântalo puro e seus óxidos em diversos agentes corrosivos, possibilita a utilização de diversos métodos para obter a configuração necessária dos microcircuitos.

Assim, com base no tântalo, é possível garantir a produção em grupo de elementos passivos (resistores, capacitores, condutores de conexão e placas de contato) com parâmetros concentrados e distribuídos, que em sua complexidade não são inferiores aos elementos feitos com base em outros materiais, mas ao mesmo tempo têm precisão, estabilidade e confiabilidade significativamente maiores. A versatilidade do tântalo e a falta de necessidade de utilização de outros materiais indicam que a grande maioria dos elementos passivos de IC podem ser fabricados com base na “tecnologia do tântalo”.

Conclusão

O atual estágio de desenvolvimento da eletrônica integrada é caracterizado por tendências para aumentar ainda mais as frequências operacionais e reduzir os tempos de comutação, aumentar a confiabilidade e reduzir os custos de materiais e do processo de fabricação de IC.

A redução do custo dos circuitos integrados requer o desenvolvimento de princípios qualitativamente novos para a sua fabricação utilizando processos baseados em fenômenos físicos e químicos semelhantes, o que, por um lado, é um pré-requisito para a posterior integração de operações tecnológicas homogêneas do ciclo de produção e, por outro lado, abre fundamentalmente a capacidade de controlar todas as operações de um computador. A necessidade de mudanças qualitativas na tecnologia e reequipamento técnico da indústria também é ditada pela transição para o próximo estágio de desenvolvimento da microeletrônica - a eletrônica funcional, que se baseia em fenômenos ópticos, magnéticos, de superfície e plasma, transições de fase, elétrons interações -fônons, efeitos de acumulação e transferência de carga, etc.

O critério para a “progressividade” do processo tecnológico, a par da melhoria dos parâmetros e características do próprio produto, é a elevada eficiência económica, determinada por uma série de critérios privados e inter-relacionados que garantem a possibilidade de construção de conjuntos de totalmente automatizados. , equipamentos de alto desempenho com longa vida útil.

Os critérios particulares mais importantes são:

universalidade, ou seja, capacidade de realizar todo (ou a grande maioria das operações) do ciclo de produção utilizando os mesmos métodos tecnológicos;

continuidade, que é um pré-requisito para a posterior integração (combinação) de uma série de operações tecnológicas do ciclo produtivo, aliada à possibilidade de utilização do processamento simultâneo em grupo de um número significativo de produtos ou produtos semiacabados;

alta velocidade de todas as operações principais do processo tecnológico ou possibilidade de sua intensificação, por exemplo, em decorrência da exposição a campos elétricos e magnéticos, radiação laser, etc.;

reprodutibilidade dos parâmetros em cada operação e alto percentual de rendimento de produtos semiacabados e adequados;

capacidade de fabricação do projeto de um produto ou produto semiacabado que atenda aos requisitos de produção automatizada (possibilidade de carregamento automatizado, embasamento, instalação, montagem, etc.), que deve se refletir na simplicidade da forma, bem como limitado tolerâncias para dimensões gerais e básicas;

formalização, ou seja, a possibilidade de elaborar (com base nas dependências analíticas dos parâmetros do produto em relação aos parâmetros do processo tecnológico) uma descrição matemática (algoritmo) de cada operação tecnológica e posterior controle de todo o processo tecnológico por meio de um computador;

adaptabilidade (vitalidade) do processo, ou seja, a capacidade de existir por muito tempo em condições de contínuo surgimento e desenvolvimento de novos processos competitivos e a capacidade de reconstruir rapidamente equipamentos para a fabricação de novos tipos de produtos sem custos de capital significativos.

A maioria dos critérios listados é satisfeita por processos que utilizam fenômenos eletrônicos e iônicos que ocorrem no vácuo e em gases rarefeitos, com a ajuda dos quais é possível produzir:

pulverização catódica de metais, ligas, dielétricos e semicondutores para obtenção de filmes de diversas espessuras e composições, interconexões, estruturas capacitivas, isolamento intercamadas, fiação intercamadas;

gravação iônica de metais, ligas, semicondutores e dielétricos para remover áreas localizadas individuais ao obter uma configuração de IC;

anodização por plasma para obtenção de filmes de óxido;

polimerização de filmes orgânicos em áreas irradiadas com elétrons para obtenção de camadas isolantes orgânicas;

limpeza e polimento de superfícies de substratos;

cultivo de monocristais;

evaporação de materiais (inclusive refratários) e recristalização de filmes;

microfresagem de filmes;

microssoldagem e microssoldagem para conectar cabos IC, bem como caixas de vedação;

métodos sem contato para monitorar parâmetros IC.

A comunalidade dos fenômenos físicos e químicos nos quais se baseiam os processos listados mostra a possibilidade fundamental de sua posterior integração, a fim de criar uma nova base tecnológica para a produção automatizada de alto desempenho de circuitos integrados e dispositivos eletrônicos funcionais.

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