Fizikalne osnove mikroelektronike. Fizikalne osnove mikroelektronike, zapiski predavanj. Zasnove in parametri generatorjev na osnovi Gunnovih diod.

Sarapulski politehnični inštitut (podružnica)

Državna izobraževalna ustanova

visoka strokovna izobrazba

"Iževska državna tehnična univerza"

Oddelek za Ciper

Tečajna naloga

Disciplina: Fizikalne osnove mikroelektronike.

Na temo: Dislokacije. Burgerji vektor. Vpliv dislokacije na lastnosti

gradbeni materiali.

Končano: Preverjeno:

dijak gr. 471 učiteljev

Volkov A.V. Ivannikov V.P.

Sarapul, 2010

Uvod................................................. ....... .................. 1

Vrste dislokacij..................................................... .......... ... ..2

Kontura in Burgerjev vektor.....................................2-3

Gibanje dislokacije..................................................... ... ...3-4

Gostota dislokacije..................................................... ...4

Sila, ki deluje na dislokacijo................................4-5

Dislokacijska energija..................................................... ... ..5

Razmnoževanje in kopičenje dislokacij................................5-6

Frankove dislokacije in napake zlaganja................6

Dislokacije in fizikalne lastnosti kristalov.....7

Odvisnost trdnosti od prisotnosti dislokacije...7-8

Rast kristalov..................................................... ... ..........8

Dislokacije in električna prevodnost.....................................8-9

Zaključek..................................................... ...................10

Seznam referenc ............................................. 11

Uvod

Dislokacijska teorija se je pojavila v 50. letih. prejšnjega stoletja zaradi dejstva, da so se teoretični izračuni trdnosti materialov bistveno razlikovali od praktičnih.

Teoretično strižno trdnost kristala je prvi izračunal Frenkel na podlagi preprostega modela dveh vrst atomov, premaknjenih zaradi strižne napetosti. Medravninska razdalja (razdalja med vrstami) je enaka A , razdalja med atomi v smeri drsenja pa je enaka b . Pod strižno napetostjo τ te vrste atomov so medsebojno premaknjene in se končajo v ravnotežnih položajih na točkah, kot je npr. A , IN in Z , D , kjer je zahtevana strižna napetost za dano strižno konfiguracijo enaka nič. V vmesnih legah ima strižna napetost končne vrednosti, ki se periodično spreminjajo v prostornini mreže. Predpostavimo strižno napetost τ bo funkcija odmika X z obdobjem b :

(1.1)

Za majhne odmike:

(1.2)

Uporaba Hookovega zakona:

, (1.3)

kjer je G strižni modul in – strižna deformacija, poiščite sorazmernostni koeficient Za :

(1.4)

Zamenjava te vrednosti Za v (1.1) dobimo:

(1.5)

Največja vrednost τ , ki ustreza napetosti, pri kateri mreža preide v nestabilno stanje:

Lahko se sprejme a ≈ b , nato strižna napetost

Tako izračunane teoretične strižne napetosti različnih materialov so se izkazale za bistveno višje v primerjavi s praktičnimi vrednostmi. Torej za baker

teoretična vrednost

= 760 kgf/mm, praktična vrednost za prave kristale pa = 100 kgf/mm.

Zaradi velikega neskladja med teoretičnimi in praktičnimi rezultati je bila predpostavljena prisotnost mikroskopskih linearnih defektov in dislokacij v kristalu.

Dislokacije so prekinitve v kontinuiteti premikanja med dvema deloma kristala, od katerih je eden podvržen premiku, drugi pa ne. Tako je deformacija predstavljena z zaporednim prehodom dislokacij vzdolž drsne ravnine in ne s hkratnim strigom po kristalu.

Vrste dislokacij.

Obstajata dve glavni vrsti dislokacij: rob in vijak.

1. Robni izpahi.

Model robne dislokacije lahko predstavimo tako, da v kosu elastično trdnega telesa izrežemo režo ABCD , ki se konča vzdolž črte AB znotraj tega kosa (slika 1). Material na eni strani se premakne in ustvari stopnico CDEF . Linija A B , ki ustreza koncu reže, je meja med deformiranim in nedeformiranim materialom, določa točke, na katerih dislokacijska črta izstopa iz površine telesa.

Slika 1 Slika 2

Slika 2 prikazuje vizualni model robne dislokacije v preprosti kubični mreži. Dislokacija roba je posledica prisotnosti dodatne polravnine A, pravokotne na ravnino zdrsa B (slika 2).

Dodatna polravnina je lahko nad drsno ravnino (kot na sliki 2), takrat se dislokacija imenuje pozitivna; če je polravnina spodaj, je negativna.

2. Izpahi vijakov:

Model vijačne dislokacije je podoben robni dislokaciji, vendar je smer vijačne dislokacije vzporedna s premico AB, nastane stopnica ADEF (slika 3).

Slika 3 Model dislokacije vijaka.

Oris in vektor hamburgerjev:

Za opis dislokacij v kristalih je uveden koncept Burgersove konture in vektorja. Kontura, narisana v popolni mreži, je zaprt pravokotnik, v katerem zadnji od narisanih vektorjev pride do začetne točke na sliki 4. Kontura, ki obdaja dislokacijo, ima diskontinuiteto in vektor, ki ga je treba narisati, da se kontura zapre, imenujemo Burgersov vektor, narisano konturo pa imenujemo Burgersova kontura. Burgersov vektor določa velikost in smeri razpoke, običajno je enak eni medatomski razdalji in je konstanten po celotni dolžini dislokacije, ne glede na to, ali se spreminja njegova smer ali mesto. V popolnem kristalu je Burgersov vektor enak nič. V kristalu z robno dislokacijo je ta vzporedna s smerjo zdrsa in ustreza vektorju zdrsa na sliki 5. V kristalu z vijačno dislokacijo je pravokotna na drsno ravnino Sl. 6

Sl.4 Sl.5 Sl.6

V kristalu so možne tudi dislokacije, ki ležijo popolnoma znotraj kristala in ne segajo na njegovo površino, kot pri zgoraj obravnavanih. Dislokacije znotraj kristala se lahko prekinejo na drugih dislokacijah, na mejah zrn in drugih vmesnikih. Zato so znotraj kristala možne dislokacijske zanke ali medsebojno povezane mreže dislokacij. Tako dislokacijo lahko ločimo od nedeformiranega območja z dislokacijsko črto v obliki obroča ali zanke, predvsem pa jo lahko dobimo s pritiskom telesa v kristal. Slika 7 prikazuje nastanek prizmatične dislokacije z vdolbino na območju ABCD.

V tem primeru nastaneta robna in vijačna dislokacija, Burgersov vektor, ki je vektorska vsota komponent dislokacije: (1.6)

Na točki, kjer se tri dislokacije združijo, so njihovi Burgersovi vektorji Slika 7 povezani z razmerjem:

(1.7)

Gibanje dislokacije.

Pomembna lastnost dislokacij je njihova sposobnost premikanja pod vplivom mehanskih obremenitev. Naj se elementarni segment dl mešane dislokacije z Burgersovim vektorjem b giblje v smeri dz. Prostornina, zgrajena na teh treh vektorjih:

dV = (dz × dl) b, (1,8)

je enakovredna volumnu materiala, ki se premika v kristalu, ko se premika dislokacija. Če je V=0, premikanja dislokacije ne spremlja prenos mase ali sprememba volumna kristala. To je konzervativno gibanje ali drsenje. Za robne in mešane dislokacije, pri katerih Burgersov vektor b ni vzporeden z dislokacijsko črto dl, pride do zdrsa v ravnini, ki jo določata vektorja b in dl: izraz (1.8) je enak nič, če dz leži v isti ravnini kot vektorja b in dl. Očitno je drsna ravnina robne ali mešane dislokacije ravnina, v kateri ležita dislokacija in njen Burgersov vektor. Robna dislokacija je izjemno gibljiva v lastni drsni ravnini. Gibanje robne dislokacije je mogoče predstaviti kot zaporedno postopno gibanje atomov, ki mejijo vzdolž celotne dolžine na dislokacijsko črto, ki ga spremlja prerazporeditev vezi med temi atomi. Po vsakem takem dogodku se dislokacija premakne za eno medatomsko razdaljo. V tem primeru je napetost, ki povzroča gibanje dislokacij, bistveno manjša od strižne napetosti materiala. Zaradi takšnega gibanja lahko dislokacija doseže površino kristala in izgine. Tako se bodo območja kristala, ločena z drsno ravnino, po sprostitvi dislokacije premaknila za eno medatomsko razdaljo (slika 8).

Ministrstvo za izobraževanje Ruske federacije

Orjolska državna tehnična univerza

Oddelek za fiziko

POVZETEK

na temo: "Gunnov učinek in njegova uporaba v diodah, ki delujejo v generatorskem načinu."

Disciplina: “Fizikalne osnove mikroelektronike”

Izpolnil učenec skupine 3–4 Senators D.G.

Nadzornik:

Orel. 2000

Gunnov učinek in njegova uporaba v diodah, ki delujejo v generatorskem načinu.

Za ojačanje in generiranje mikrovalovnih nihanj je mogoče uporabiti nenormalno odvisnost hitrosti elektronov od električne poljske jakosti v nekaterih polprevodniških spojinah, predvsem v galijevem arzenidu. V tem primeru igrajo glavno vlogo procesi, ki se odvijajo v masi polprevodnika in ne v str - n-prehod. Generiranje mikrovalovnih nihanj v homogenih vzorcih GaAs n-tipa pri konstantni električni poljski jakosti nad mejno vrednostjo je prvi opazil J. Gunn leta 1963 (zato se takšne naprave imenujejo Gunn diode). V ruski literaturi se imenujejo tudi naprave z volumetrično nestabilnostjo ali z intervalni prenos elektronov, saj so aktivne lastnosti diod določene s prehodom elektronov iz "osrednje" energijske doline v "stran", kjer je zanje značilna velika efektivna masa in nizka mobilnost. V tuji literaturi priimek ustreza izrazu TED ( Prenesena elektronska naprava).

V šibkem polju je mobilnost elektronov visoka in znaša 6000–8500 cm 2 /(Vs). Kadar je poljska jakost višja od 3,5 kV/cm, se zaradi prehoda nekaterih elektronov v »stransko« dolino povprečna hitrost odnašanja elektronov z naraščanjem polja zmanjšuje. Najvišja vrednost modula diferencialne mobilnosti v padajočem delu približno trikrat nižja od mobilnosti v šibkih poljih. Pri poljskih jakostih nad 15–20 kV/cm je povprečna hitrost elektronov skoraj neodvisna od polja in znaša okoli 10 7 cm/s, zato je razmerje , in karakteristiko polja hitrosti je mogoče približno aproksimirati, kot je prikazano na sliki 1. Čas za vzpostavitev negativne diferencialne prevodnosti (NDC) je vsota časa segrevanja elektronskega plina v "osrednji" dolini (~10–12 s za GaAs), ki je določena s časovno konstanto energijske relaksacije in prehodnim časom intervalov ( ~5–10–14 s).

Pričakovali bi, da bi prisotnost padajočega odseka karakteristike v območju NDC z enakomerno porazdelitvijo električnega polja vzdolž enakomerno dopiranega vzorca GaAs povzročila pojav padajočega odseka na tokovno-napetostni karakteristiki diode, saj je vrednost konvekcijskega toka skozi diodo definirana kot , kjer je ; - površina prečnega prereza; – dolžina vzorca med kontakti. V tem razdelku bi imela dioda negativno aktivno prevodnost in bi se lahko uporabljala za generiranje in ojačevanje nihanj, podobno kot tunelska dioda. Vendar pa je v praksi izvajanje takšnega režima v vzorcu polprevodniškega materiala z NDC težavno zaradi nestabilnosti polja in prostorskega naboja. Kot je prikazano v § 8.1, nihanje prostorskega naboja v tem primeru vodi do povečanja prostorskega naboja v skladu z zakonom

kjer je dielektrična relaksacijska konstanta; –koncentracija elektronov v originalu n-GaAs. V homogenem vzorcu, na katerega je priključena konstantna napetost , lokalno povečanje koncentracije elektronov vodi do pojava negativno nabite plasti (slika 2), ki se premika vzdolž vzorca od katode do anode.

Slika 1. Približna odvisnost hitrosti odnašanja elektronov od električne poljske jakosti za GaAs.

Slika 2. Razložiti proces nastanka akumulacijske plasti v enakomerno dopiranem GaAs.

S katodo razumemo stik z vzorcem, na katerega se nanaša negativni potencial. Notranja električna polja, ki nastanejo v tem primeru, se nanesejo na konstantno polje, povečajo poljsko jakost na desni strani plasti in jo zmanjšajo na levi (slika 2, a). Hitrost elektronov na desni strani plasti se zmanjša, na levi pa poveča. To vodi do nadaljnje rasti premikajoče se akumulacijske plasti in do ustrezne prerazporeditve polja v vzorcu (slika 2, b). Običajno se plast prostorskega naboja nukleira na katodi, saj je blizu katodnega ohmičnega kontakta območje s povečano koncentracijo elektronov in nizko električno poljsko jakostjo. Nihanja, ki se pojavijo v bližini anodnega stika zaradi gibanja elektronov proti anodi, se nimajo časa razviti.

Vendar pa je takšna porazdelitev električnega polja nestabilna in se lahko, če pride do nehomogenosti v vzorcu v obliki skokov koncentracije, mobilnosti ali temperature, spremeni v t.i. domena močnega polja. Jakost električnega polja je povezana s koncentracijo elektronov s Poissonovo enačbo, ki ima za enodimenzionalni primer obliko

(1)

Povečanje električnega polja v delu vzorca bo spremljalo pojav na mejah tega območja prostorskega naboja, negativnega na strani katode in pozitivnega na strani anode (slika 3, a). V tem primeru se hitrost elektronov znotraj regije zmanjša v skladu s sl. 1. Elektroni s strani katode bodo dohiteli elektrone znotraj tega območja, zaradi česar se poveča negativni naboj in nastane z elektroni bogata plast. Elektroni z anodne strani se bodo premaknili naprej, zaradi česar se poveča pozitivni naboj in nastane osiromašena plast, v kateri. To vodi do nadaljnjega povečanja polja v območju nihanja, ko se naboj premika proti anodi, in do povečanja obsega dipolnega območja prostorskega naboja. Če se napetost, ki se uporablja za diodo, vzdržuje konstantno, se bo z rastjo dipolne domene polje zunaj njega zmanjšalo (slika 3, b). Povečanje polja v domeni se bo ustavilo, ko bo njegova hitrost postala enaka hitrosti elektronov zunaj domene. To je očitno . Jakost električnega polja zunaj domene (sl. 3, c) bo pod mejno jakostjo, kar onemogoča intervalni prehod elektronov zunaj domene in nastanek druge domene do izginotja tistega, ki je bil predhodno oblikovan na anoda. Po oblikovanju stabilne visokopoljske domene ostane tok skozi diodo konstanten med njenim premikanjem od katode do anode.

Slika 3. Razložiti proces nastanka dipolne domene.

Po izginotju domene na anodi se poljska jakost v vzorcu poveča in ko doseže vrednost , se začne nastajanje nove domene. V tem primeru tok doseže največjo vrednost, ki je enaka (slika 4, c)

(2)

Ta način delovanja Gunnove diode se imenuje način letenja. V tranzitnem načinu je tok skozi diodo sestavljen iz impulzov, ki si sledijo s periodo . Dioda generira mikrovalovna nihanja s frekvenco leta , določena predvsem z dolžino vzorca in šibko odvisna od obremenitve (prav ta nihanja je Gunn opazil pri preučevanju vzorcev iz GaAs in InP).

Elektronske procese v Gunnovi diodi je treba upoštevati ob upoštevanju Poissonovih enačb, kontinuitete in skupne gostote toka, ki imajo v enodimenzionalnem primeru naslednjo obliko:

; (3)

. (4)

Slika 4. Ekvivalentno vezje generatorja z Gunnovo diodo (a) in časovne odvisnosti napetosti (b) in toka skozi Gunnovo diodo v tranzitnem načinu (c) ter v načinih z zakasnitvijo (d) in domenskim dušenjem (e).

Trenutna napetost na diodi. Skupni tok ni odvisen od koordinate in je funkcija časa. Pogosto velja, da je difuzijski koeficient neodvisen od električnega polja.

Odvisno od parametrov diode (stopnja in profil dopinga materiala, dolžina in površina prečnega prereza vzorca ter njegova temperatura), pa tudi od napajalne napetosti in lastnosti obremenitve, Gunnova dioda, kot mikrovalovni generator in ojačevalnik, lahko deluje na različne načine: domenski, omejevalni akumulacijski prostorski naboj (ONZ, v tuji literaturi LSA – Limited Space Charge Accumulation), hibridni, potujoči valovi prostorskega naboja, negativna prevodnost.

Načini delovanja domene.

Za domenske načine delovanja Gunnove diode je značilna prisotnost oblikovane dipolne domene v vzorcu v pomembnem delu nihajne dobe. Značilnosti stacionarne dipolne domene so podrobneje obravnavane v [?], kjer je prikazano, da iz (1), (3) in (4) sledi, da sta hitrost domene in največja poljska jakost v njej povezani pravilo enake površine

. (5)

V skladu s (5) so območja, osenčena na sliki 5, a in omejena s črtami, enaka. Kot je razvidno iz slike, največja poljska jakost v domeni znatno presega polje zunaj domene in lahko doseže več deset kV/cm.

Slika 5. Za določitev parametrov dipolne domene.

Slika 5, b prikazuje odvisnost napetosti domene na električno poljsko jakost zunaj njega, kjer je dolžina domene (slika 3, c). Tam je bila zgrajena "instrumentalna linija" diode z dolžino pri dani napetosti, ob upoštevanju dejstva, da je skupna napetost na diodi . Presečišče A določa napetost domene in poljsko jakost zunaj nje. Upoštevati je treba, da se domena pojavi pri konstantni napetosti , lahko pa obstaja tudi, ko se med gibanjem domene proti anodi napetost na diodi zmanjša na vrednost (črtkana črta na sliki 5, b). Če se napetost na diodi še zmanjša, tako da postane manjša od napetosti izumrtja domene, se bo nastala domena razrešila. Napetost dušenja ustreza trenutku, ko se "ravna črta instrumenta" dotakne črte na sliki 5, b.

Tako se izkaže, da je napetost izginotja domene manjša od napetosti praga tvorbe domene. Kot je razvidno iz slike 5, se zaradi ostre odvisnosti presežne napetosti na domeni od poljske jakosti zunaj domene polje zunaj domene in hitrost domene malo spremenita, ko se spremeni napetost na diodi. Presežna napetost se absorbira predvsem v domeni. Že pri hitrost domene se le malo razlikuje od hitrosti nasičenja in jo je mogoče približno upoštevati, zato je frekvenca letenja kot značilnost diode običajno določena z izrazom:

(6)

Dolžina domene je odvisna od koncentracije donorske nečistoče, pa tudi od napetosti na diodi in je 5–10 μm. Zmanjšanje koncentracije nečistoč povzroči razširitev domene zaradi povečanja osiromašene plasti. Tvorba domene poteka v končnem času in je povezana z vzpostavitvijo negativne diferencialne prevodnosti in povečanjem prostorskega naboja. Časovna konstanta naraščanja prostorskega naboja v načinu majhne motnje je enaka dielektrični relaksacijski konstanti in je določena z negativno diferencialno gibljivostjo in koncentracijo elektronov. Pri največji vrednosti, medtem ko je čas vzpostavitve ODP krajši. Tako je čas nastanka domene v veliki meri določen s procesom prerazporeditve prostorskega naboja. Odvisno je od začetne nehomogenosti polja, stopnje dopinga in uporabljene napetosti.

Fig6. Gunnova dioda.

Približno se domneva, da bo Domena imela čas, da se v celoti oblikuje v naslednjem času:

kjer je izraženo v. O domenskih načinih je smiselno govoriti le, če ima domena čas za nastanek med letom elektronov v vzorcu. Zato je pogoj za obstoj dipolne domene bodisi .

Zmnožek koncentracije elektronov in dolžine vzorca imenujemo kritično in označujejo. Ta vrednost je meja med načini domene Gunnove diode in načini s stabilno porazdelitvijo električnega polja v enakomerno dopiranem vzorcu. Ko domena močnega polja ni oblikovana, se pokliče vzorec stabilno. Možni so različni načini domene. Kriterij tipa velja, strogo gledano, samo za strukture, v katerih je dolžina aktivne plasti med katodo in anodo veliko manjša od prečnih dimenzij: (slika 6, a), kar ustreza enodimenzionalnemu problemu in je značilen za planarne in mezastrukture. Tankoplastne strukture (slika 6, b) imajo epitaksialno aktivno plast GaAs 1 Dolžina se lahko nahaja med substratom z visoko odpornostjo 3 in izolacijski dielektrični film 2 na primer iz SiO 2. Ohmski anodni in katodni kontakti so izdelani s fotolitografskimi metodami. Prečna velikost diode je lahko primerljiva z njeno dolžino. V tem primeru prostorski naboji, ki nastanejo med tvorbo domene, ustvarjajo notranja električna polja, ki nimajo samo vzdolžne, temveč tudi prečne komponente (slika 6, c). To vodi do zmanjšanja polja v primerjavi z enodimenzionalnim problemom. Ko je debelina aktivnega filma majhna, ko je , se kriterij odsotnosti nestabilnosti domene nadomesti s pogojem . Za takšne strukture, s stabilno porazdelitvijo električnega polja, je lahko večja.

Čas oblikovanja domene ne sme preseči polovice cikla mikrovalovnih nihanj. Zato obstaja drugi pogoj za obstoj gibljive domene, iz katerega ob upoštevanju (1) dobimo .

Odvisno od razmerja med časom letenja in obdobjem mikrovalovnih nihanj ter od vrednosti konstantne napetosti in amplitude visokofrekvenčne napetosti je mogoče realizirati naslednje načine domene: letenje, način z zakasnitvijo domene, način z zatiranjem (gašenjem) domene. Razmislimo o procesih, ki se pojavljajo v teh načinih za primer Gunnove diode, ki deluje na obremenitev v obliki vzporednega nihajnega kroga z aktivnim uporom pri resonančni frekvenci in diodo napaja napetostni generator z nizkim notranjim uporom (glej Slika 4a). V tem primeru se napetost na diodi spreminja po sinusnem zakonu. Generacija je možna pri.

Pri nizki obremenitveni upornosti, kdaj, kje – upor Gunnove diode v šibkih poljih je amplituda visokofrekvenčne napetosti majhna in trenutna napetost na diodi presega mejno vrednost (glej sliko 4b, krivulja 1). Tukaj poteka prej obravnavani način prehoda, ko po nastanku domene tok skozi diodo ostane konstanten in enak (glej sliko 9.39, c). Ko domena izgine, se tok poveča na . Za GaAs. Frekvenca nihanj v načinu letenja je enaka. Ker je razmerje majhno, učinkovitost Število Gunnovih diodnih generatorjev, ki delujejo v tranzitnem načinu, je majhno in ta način običajno nima praktične uporabe.

Ko dioda deluje v vezju z visokim uporom, ko je , je lahko amplituda izmenične napetosti precej velika, tako da v določenem delu obdobja postane trenutna napetost na diodi manjša od praga (ustreza krivulji 2 na sliki 4b). V tem primeru govorijo o način z zamikom pri oblikovanju domene. Domena se oblikuje, ko napetost na diodi preseže prag, to je v določenem trenutku (glej sliko 4, d). Po nastanku domene se tok diode zmanjša na in ostane ves čas letenja domene. Ko domena v določenem trenutku izgine na anodi, je napetost na diodi nižja od praga in dioda predstavlja aktivni upor. Sprememba toka je sorazmerna z napetostjo na diodi do trenutka, ko tok doseže največjo vrednost in je napetost na diodi enaka pragu. Začne se oblikovanje nove domene in celoten proces se ponovi. Trajanje tokovnega impulza je enako zakasnitvenemu času nastanka nove domene. Čas oblikovanja domene velja za majhen v primerjavi z in . Očitno je takšen način mogoč, če je čas leta znotraj meja in je frekvenca ustvarjenih nihanj .

S še večjo amplitudo visokofrekvenčne napetosti, ki ustreza krivulji 3 na sliki 4b je lahko najmanjša napetost na diodi nižja od napetosti za gašenje diode. V tem primeru način z zatiranjem domene(glej sliko 4, d). Domena se oblikuje v določenem trenutku in se raztopi v trenutku, ko se začne oblikovati nova domena, potem ko napetost preseže mejno vrednost. Ker izginotje domene ni povezano z njenim dosegom anode, lahko čas leta elektronov med katodo in anodo v načinu kaljenja domene preseže obdobje nihanja: . Tako v načinu dušenja. Zgornja meja generiranih frekvenc je omejena s pogojem in je lahko .

Elektronska učinkovitost Generatorje, ki temeljijo na Gunnovih diodah, ki delujejo v domenskih načinih, je mogoče določiti z razširitvijo tokovne funkcije v Fourierjev niz (glej sliko 4), da bi našli amplitudo prvega harmonika in komponente enosmernega toka. Vrednost učinkovitosti odvisno od razmerij , , , in pri optimalni vrednosti ne presega 6 % za diode GaAs v načinu zakasnitve domene. Elektronska učinkovitost v načinu dušenja domene manjša kot v načinu zakasnitve domene.

način ONOZ.

Nekoliko kasneje so bili predlagani in implementirani domenski načini za Gunnove diode način omejevanja kopičenja prostorskega naboja. Obstaja pri konstantnih napetostih na diodi, nekajkrat višjih od mejne vrednosti, in velikih amplitudah napetosti pri frekvencah, ki so nekajkrat višje od frekvence leta. Za izvedbo načina ONOS so potrebne diode z zelo enakomernim dopirnim profilom. Enakomerna porazdelitev električnega polja in koncentracije elektronov po dolžini vzorca je zagotovljena z visoko hitrostjo spreminjanja napetosti na diodi. Če je časovno obdobje, v katerem prehaja jakost električnega polja skozi območje NDC karakteristike, veliko krajše od časa nastajanja domene, potem ni opazne prerazporeditve polja in prostorskega naboja po dolžini diode. Hitrost elektronov po celotnem vzorcu »sledi« spremembi električnega polja, tok skozi diodo pa je določen z odvisnostjo hitrosti od polja (slika 7).

Tako se v načinu ONOS negativna prevodnost diode uporablja za pretvorbo energije vira energije v energijo mikrovalovnih nihanj. V tem načinu ostane napetost na diodi med delom nihajne dobe nižja od praga in vzorec je v stanju, za katerega je značilna pozitivna mobilnost elektronov, tj. prostorski naboj, ki se je uspel oblikovati v času, ko je električni je bilo polje v diodi nad pragom, se raztopi.

V obrazec bomo približno zapisali pogoj za šibko povečanje napolnjenosti skozi čas , Kje ; je povprečna vrednost negativne diferencialne mobilnosti elektronov v regiji. Resorpcija prostorskega naboja v času bo učinkovita, če in kje ; in – dielektrična relaksacijska časovna konstanta in mobilnost elektronov v šibkem polju.

Štetje , , imamo . Ta neenakost določa obseg vrednosti, v katerem se izvaja način ONZ.

Elektronsko učinkovitost Gunnovega diodnega generatorja v načinu ONOS je mogoče izračunati iz trenutne oblike (slika 7). pri Največja učinkovitost je 17%.

Slika 7. Časovna odvisnost toka na Gunnovi diodi v načinu ONOS.

V domenskih načinih je frekvenca generiranih nihanj približno enaka frekvenci leta. Zato je dolžina Gunnovih diod, ki delujejo v domenskih načinih, povezana z delovnim frekvenčnim območjem z izrazom

kjer je izraženo v GHz in – v mikronih. V načinu ONOS dolžina diode ni odvisna od delovne frekvence in je lahko večkrat večja od dolžine diod, ki delujejo na istih frekvencah v domenskih načinih. To vam omogoča znatno povečanje moči generatorjev v načinu ONO v primerjavi z generatorji, ki delujejo v domenskih načinih.

Obravnavani procesi v Gunnovi diodi v domenskih načinih so v bistvu idealizirani, saj se realizirajo pri relativno nizkih frekvencah (1–3 GHz), kjer je nihajna doba bistveno krajša od časa nastajanja domene, dolžina diode pa veliko večja od dolžina domene pri običajnih ravneh dopinga . Najpogosteje se neprekinjene Gunnove diode uporabljajo pri višjih frekvencah v tako imenovanih hibridnih načinih. Hibridni načini Delovanje Gunnovih diod je vmesno med načinoma ONOS in domene. Za hibridne načine je značilno, da tvorba domene zavzame večino nihajne dobe. Nepopolno oblikovana domena se razreši, ko se trenutna napetost na diodi zmanjša na vrednosti pod pragom. Jakost električnega polja zunaj območja naraščajočega prostorskega naboja ostaja na splošno večja od praga. Procese, ki potekajo v diodi v hibridnem načinu, analiziramo z računalnikom z enačbami (1), (3) in (4). Hibridni načini zavzemajo širok razpon vrednosti in niso tako občutljivi na parametre vezja kot način ONOZ.

Način ONOS in hibridni načini delovanja Gunnove diode uvrščamo med »trde« načine samovzbujanja, za katere je značilna odvisnost negativne elektronske prevodnosti od amplitude visokofrekvenčne napetosti. Preklop generatorja v hibridni način (kot tudi v način ONOZ) je zapletena naloga in se običajno izvaja z zaporednim prehodom diode iz tranzitnega načina v hibridni način.

Slika 8. Elektronska učinkovitost GaAs Gunn diodnih generatorjev za različne načine delovanja:

1–z zamikom pri oblikovanju domene

2–z zatiranjem domene

Slika 9. Časovna odvisnost napetosti (a) in toka (b) Gunnove diode v načinu visoke učinkovitosti.

3-hibrid

Konstrukcije in parametri generatorjev na osnovi Gunnovih diod.

Slika 8 prikazuje vrednosti največje elektronske učinkovitosti. GaAs Gunn dioda v različnih načinih delovanja. Vidimo, da vrednosti ne presegajo 20%. Povečanje učinkovitosti generatorjev na osnovi Gunnovih diod je možno z uporabo bolj zapletenih oscilatornih sistemov, ki omogočajo zagotavljanje časovne odvisnosti toka in napetosti na diodi, prikazane na sliki 9. Razširitev funkcij in v Fourierjevo vrsto pri in daje vrednosti elektronske učinkovitosti za GaAs Gunn diode 25%. Dokaj dober približek optimalni krivulji dobimo z uporabo drugega harmonika napetosti. Drug način za povečanje učinkovitosti sestoji iz uporabe materialov z visokim razmerjem v Gunnovih diodah. Tako za indijev fosfid doseže 3,5, kar poveča teoretično elektronsko učinkovitost diod na 40%.

Upoštevati je treba, da je elektronska učinkovitost generatorjev na osnovi Gunnovih diod se zmanjša pri visokih frekvencah, ko postane nihajna doba sorazmerna s časom vzpostavitve NDC (to se kaže že pri frekvencah ~30 GHz). Vztrajnost procesov, ki določajo odvisnost povprečne hitrosti odnašanja elektronov od polja, vodi do zmanjšanja protifazne komponente toka diode. Omejitvene frekvence Gunnovih diod, povezanih s tem pojavom, so ocenjene na ~100 GHz za naprave GaAs in 150–300 GHz za naprave InP.

Izhodna moč Gunnovih diod je omejena z električnimi in toplotnimi procesi. Vpliv slednjega vodi do odvisnosti največje moči od frekvence v obliki , kjer je konstanta določena z dovoljenim pregrevanjem konstrukcije, toplotnimi lastnostmi materiala in elektronskim izkoristkom. in zmogljivost diode. Omejitve električnega načina so posledica dejstva, da se pri visoki izhodni moči amplituda nihanj izkaže za sorazmerno s konstantno napetostjo na diodi: .

V domenskih načinih torej v skladu z imamo:

kjer je ekvivalentna obremenitvena upornost, preračunana na sponke diode in enaka modulu aktivnega negativnega upora LPD.

Največja električna poljska jakost v domeni bistveno presega povprečno vrednost polja v diodi, hkrati pa mora biti manjša od prebojne jakosti, pri kateri pride do plazovitega preboja materiala (za GaAs ). Običajno velja, da je dovoljena vrednost električnega polja .

Tako kot pri LPD je tudi pri relativno nizkih frekvencah (v območju centimetrskih valovnih dolžin) največja izhodna moč Gunnovih diod določena s toplotnimi učinki. V milimetrskem območju postane debelina aktivnega območja diod, ki delujejo v domenskih načinih, majhna in prevladujejo električne omejitve. V neprekinjenem načinu v območju treh centimetrov lahko iz ene diode pridobite moč 1–2 W z izkoristkom do 14%; pri frekvencah 60–100 GHz – do 100 WW z učinkovitostjo nekaj odstotkov. Za generatorje z Gunn diodo je značilen bistveno nižji frekvenčni šum kot za LPD generatorje.

Za način ONOZ je značilna veliko bolj enakomerna porazdelitev električnega polja. Poleg tega je lahko dolžina diode, ki deluje v tem načinu, pomembna. Zato je lahko amplituda mikrovalovne napetosti na diodi v načinu ONOS 1–2 reda velikosti višja od napetosti v domenskih načinih. Tako se lahko izhodna moč Gunnovih diod v načinu ONOS poveča za več vrst velikosti v primerjavi z domenskimi načini. Pri načinu ONOZ pridejo v ospredje toplotne omejitve. Gunn diode v načinu ONOS najpogosteje delujejo v impulznem načinu z visokim delovnim ciklom in ustvarjajo moč do nekaj kilovatov v območju centimetrskih valovnih dolžin.

Frekvenca generatorjev na osnovi Gunnovih diod je določena predvsem z resonančno frekvenco nihajnega sistema ob upoštevanju kapacitivne prevodnosti diode in jo je mogoče nastaviti v širokem območju z mehanskimi in električnimi metodami.

V valovodnem generatorju(Slika 10, a) Gunnova dioda 1 nameščen med širokimi stenami pravokotnega valovoda na koncu kovinske palice. Prednapetost se napaja preko vhoda induktorja 2 , ki je izdelan v obliki odsekov četrtvalovnih koaksialnih linij in služi za preprečevanje prodiranja mikrovalovnih nihanj v vezje vira energije. Resonator z nizkim Q tvorijo pritrdilni elementi diode v valovodu. Frekvenca generatorja se nastavi z uporabo varaktorske diode 3 , ki se nahaja na razdalji polovične valovne dolžine in je nameščen v valovodu podobno kot Gunnova dioda. Pogosto so diode vključene v valovod z zmanjšano višino, ki je s četrtvalovnim transformatorjem povezan z izhodnim valovodom standardnega odseka.

Slika 10. Zasnova generatorjev na osnovi Gunnovih diod:

a-valovod; b-mikrotrak; c–z nastavitvijo frekvence s kroglo YIG

V mikrotrakasti izvedbi(Sl. 10, b) dioda 1 priključen med bazo in tračnim vodnikom. Za stabilizacijo frekvence se uporablja visokokakovosten dielektrični resonator 4 v obliki diska iz dielektrika z nizkimi izgubami in visoko vrednostjo (na primer barijev titanat), ki se nahaja v bližini MPL trakastega prevodnika širine . Kondenzator 5 služi za ločevanje napajalnih tokokrogov in mikrovalovne poti. Napajalna napetost se napaja skozi induktorsko vezje 2 , sestavljen iz dveh četrtvalovnih segmentov MPL z različnimi impedancami valov, linija z nizkim uporom pa je odprta. Uporaba dielektričnih resonatorjev s pozitivnim temperaturnim koeficientom frekvence omogoča ustvarjanje oscilatorjev z majhnimi frekvenčnimi premiki pri spreminjanju temperature (~40 kHz/°C).

Frekvenčno nastavljivi generatorji na Gunnove diode je mogoče izdelati z uporabo monokristalov itrijevega železovega granata (slika 10, c). Frekvenca generatorja se v tem primeru spremeni zaradi uravnavanja resonančne frekvence kakovostnega resonatorja, ki ima obliko YIG krogle majhnega premera, ko se spremeni magnetno polje. Največja nastavitev je dosežena v nepakiranih diodah, ki imajo minimalne reaktivne parametre. Vezje visokofrekvenčne diode je sestavljeno iz kratkega zavoja, ki obdaja kroglo YIG 6 . Povezava diodnega vezja z obremenitvenim vezjem se izvede zaradi medsebojne induktivnosti, ki jo zagotavljajo krogla YIG in pravokotno nameščeni sklopni zavoji. Območje električne nastavitve takšnih generatorjev, ki se pogosto uporabljajo v avtomatskih merilnih napravah, doseže oktavo z izhodno močjo 10–20 mW.

Slika 11. Posplošeno ekvivalentno vezje Gunnove diode.

Ojačevalniki na osnovi Gunnovih diod.

Razvoj ojačevalnikov na osnovi Gunnovih diod je zelo zanimiv predvsem za milimetrsko območje valovnih dolžin, kjer je uporaba mikrovalovnih tranzistorjev omejena. Pomembna naloga pri izdelavi ojačevalnikov na osnovi Gunnovih diod je zagotoviti stabilnost njihovega delovanja (stabilizacija diode) in predvsem zatiranje oscilacij tipa domene majhnega signala. To lahko dosežemo z omejevanjem parametra diode, obremenitvijo diode z zunanjim vezjem, izbiro profila dopiranja diode, zmanjšanjem preseka ali nanosom dielektričnega filma na vzorec. Kot ojačevalniki se uporabljajo tako planarne kot mezastrukturne diode, ki imajo negativno prevodnost pri napetostih nad pragom v širokem frekvenčnem območju blizu frekvence letenja in se uporabljajo kot regenerativni odsevni ojačevalniki s cirkulatorjem na vhodu, pa tudi bolj zapletene filmske strukture. ki uporabljajo pojav valovne rasti prostorskega naboja v materialu z NDP, ki se pogosto imenuje tankoslojni ojačevalniki potujočega vala(UBV).

V podkritično dopiranih diodah pri tvorba tekoče domene je nemogoča tudi pri napetostih, ki presegajo prag. Kot kažejo izračuni, je za podkritične diode značilen negativni ekvivalentni upor pri frekvencah blizu frekvence leta, pri napetostih, ki presegajo prag. Uporabljajo se lahko v odsevnih ojačevalcih. Vendar pa so zaradi nizkega dinamičnega razpona in ojačanja omejene uporabe.

Stabilna negativna prevodnost v širokem frekvenčnem območju, ki doseže 40%, se izvaja v diodah z pri kratki dolžini diode (~8–15 µm) in napetostih . Pri nižjih napetostih opazimo generacijo, katere razpad z naraščajočo napetostjo je mogoče pojasniti z zmanjšanjem NDC materiala z naraščajočo temperaturo naprave.

Enakomerno porazdelitev električnega polja vzdolž dolžine diode in stabilno ojačanje v širokem frekvenčnem pasu lahko dosežemo zaradi neenakomernega dopiranja vzorca (slika 12, a). Če je v bližini katode ozka rahlo dopirana plast dolžine približno 1 μm, potem omejuje vbrizgavanje elektronov iz katode in vodi do močnega povečanja električnega polja. Povečanje koncentracije nečistoč po dolžini vzorca proti anodi v območju od do omogoča doseganje enakomernosti električnega polja. Procesi v diodah s tem profilom se običajno izračunajo na računalniku.

Slika 12. Profil dopinga (a) in porazdelitev polja (b) v Gunnovi diodi z visokoupornim katodnim območjem.

Za tipe obravnavanih ojačevalnikov je značilen širok dinamični razpon, učinkovitost 2–3 % in vrednost hrupa ~10 dB v območju centimetrskih valovnih dolžin.

V teku je razvoj tankoslojnih ojačevalnikov potujočega vala (slika 13), ki zagotavljajo enosmerno ojačanje v širokem frekvenčnem pasu in ne zahtevajo uporabe ločilnih obtočnih črpalk. Ojačevalnik je epitaksialna plast GaAs 2 debel (2–15 µm), gojen na substratu z visoko upornostjo 1 . Ohmski kontakti katode in anode se nahajajo na razdalji drug od drugega in zagotavljajo odnašanje elektronov vzdolž filma, ko se na njih uporablja konstantna napetost. Dva stika 3 v obliki Schottkyjeve pregrade širine 1–5 μm se uporabljajo za vnos in izhod mikrovalovnega signala iz naprave. Vhodni signal, dobavljen med katodo in prvim Schottkyjevim kontaktom, vzbuja val prostorskega naboja v toku elektronov, ki spreminja amplitudo, ko se premika proti anodi s fazno hitrostjo.

Slika 13. Diagram tankoslojnega ojačevalnika potujočega valovanja GaAs z vzdolžnim odmikom

Za delovanje ojačevalnika je potrebno zagotoviti enakomernost filma in enakomernost električnega polja po dolžini naprave. Prednapetost BW leži v območju NDC GaAs, tj . V tem primeru val prostorskega naboja raste, ko se premika vzdolž filma. Stabilna, enakomerna porazdelitev električnega polja je dosežena v UWV z uporabo filmov majhne debeline in prevleko filma GaAs z dielektrikom z veliko vrednostjo.

Uporaba osnovnih enačb gibanja elektronov za enodimenzionalni primer (1), (3), (4) in način majhnega signala, ko so konstantne komponente konvekcijskega toka, električne poljske jakosti in gostote naboja veliko večje od amplituda spremenljivih komponent (), vodi do disperzijske enačbe za konstantno širjenje, ki ima rešitev v obliki dveh valov.

Eden od njih je neposredni val, ki se širi vzdolž filma od katode do anode s fazno hitrostjo in ima amplitudo, ki se spreminja po zakonu:

kjer je čas gibanja elektronov od vhoda naprave. Pri delu v regiji ODP se poveča tudi neposredni val. Drugi val je obraten, širi se od anode do katode in oslabi v amplitudi kot . Difuzijski koeficient za GaAs je , zato povratni val hitro ugasne. Iz (9) je ojačanje naprave (dB)

(10)

Ocena po (10) pri in daje ojačanje reda 0,3–3 dB/µm. Upoštevati je treba, da je izraz (10) v bistvu kvalitativen. Neposredna uporaba za izračun naraščajočih valov prostorskega naboja lahko povzroči napake zaradi močnega vpliva robnih pogojev za majhno debelino filma, saj je treba problem obravnavati kot dvodimenzionalen. Upoštevati je treba tudi difuzijo elektronov, ki omejuje frekvenčno območje, v katerem je možno ojačanje. Izračuni potrjujejo možnost pridobitve ojačenja ~0,5–1 dB/μm v UWV pri frekvencah 10 GHz ali več. Takšne naprave se lahko uporabljajo tudi kot krmiljeni fazni prestavljalci in mikrovalovne zakasnilne črte.

[L]. Berezin et al. Mikrovalovne elektronske naprave. – M. Višja šola 1985.

Ministrstvo za izobraževanje Ruske federacije

Orjolska državna tehnična univerza

Oddelek za fiziko IZVLEČEK

na temo: "Gunnov učinek in njegova uporaba v diodah, ki delujejo v generatorskem načinu."

Disciplina: “Fizikalne osnove mikroelektronike”

Izpolni učenec skupine 3–4
Senatorov D.G.

Nadzornik:

Orel. 2000

Gunnov učinek in njegova uporaba v diodah, ki delujejo v generatorskem načinu.

Za ojačanje in generiranje mikrovalovnih nihanj je mogoče uporabiti nenormalno odvisnost hitrosti elektronov od električne poljske jakosti v nekaterih polprevodniških spojinah, predvsem v galijevem arzenidu. V tem primeru glavno vlogo igrajo procesi, ki se pojavljajo v masi polprevodnika in ne v p-n spoju. Generiranje mikrovalovnih nihanj v homogenih vzorcih GaAs n-tipa pri konstantni električni poljski jakosti nad mejno vrednostjo je prvi opazil J. Gunn leta 1963 (zato se takšne naprave imenujejo Gunn diode). V domači literaturi jih imenujemo tudi naprave z volumetrično nestabilnostjo ali z intervalnim prenosom elektronov, saj so aktivne lastnosti diod določene s prehodom elektronov iz "centralne" energijske doline v "stransko", kjer so značilne velika efektivna masa in majhna mobilnost. V tuji literaturi slednje ime ustreza izrazu TED (Transferred Electron Device).

kjer je dielektrična relaksacijska konstanta; – koncentracija elektronov v originalnem n-GaAs. V homogenem vzorcu, na katerega je priključena konstantna napetost , lokalno povečanje koncentracije elektronov vodi do pojava negativno nabite plasti (slika 2), ki se premika vzdolž vzorca od katode do anode.

Slika 1. Približna odvisnost hitrosti odnašanja elektronov od električne poljske jakosti za GaAs.

Slika 2. Razložiti proces nastanka akumulacijske plasti v enakomerno dopiranem GaAs.

Vendar je takšna porazdelitev električnega polja nestabilna in se lahko v primeru nehomogenosti vzorca v obliki skokov koncentracije, mobilnosti ali temperature spremeni v tako imenovano domeno močnega polja. Jakost električnega polja je povezana s koncentracijo elektronov s Poissonovo enačbo, ki ima za enodimenzionalni primer obliko

(1)

Slika 3. Razložiti proces nastanka dipolne domene.

Po izginotju domene na anodi se poljska jakost v vzorcu poveča in ko doseže vrednost , se začne nastajanje nove domene. V tem primeru tok doseže največjo vrednost, ki je enaka (slika 4, c)

(2)

Ta način delovanja Gunnove diode se imenuje tranzitni način. V tranzitnem načinu je tok skozi diodo sestavljen iz impulzov, ki si sledijo s periodo . Dioda generira mikrovalovna nihanja s frekvenco leta , določena predvsem z dolžino vzorca in šibko odvisna od obremenitve (prav ta nihanja je Gunn opazil pri preučevanju vzorcev iz GaAs in InP).

Elektronske procese v Gunnovi diodi je treba upoštevati ob upoštevanju Poissonovih enačb, kontinuitete in skupne gostote toka, ki imajo v enodimenzionalnem primeru naslednjo obliko:

; (3)

. (4)

Trenutna napetost na diodi. Skupni tok ni odvisen od koordinate in je funkcija časa. Pogosto velja, da je difuzijski koeficient neodvisen od električnega polja.

Načini delovanja domene.

. (5)

Slika 5. Za določitev parametrov dipolne domene.

(6)

Fig6. Gunnova dioda.

Približno se domneva, da bo Domena imela čas, da se v celoti oblikuje v naslednjem času:

kjer je izraženo v. O domenskih načinih je smiselno govoriti le, če ima domena čas za nastanek med letom elektronov v vzorcu. Zato je pogoj za obstoj dipolne domene bodisi .

Vrednost zmnožka koncentracije elektronov in dolžine vzorca imenujemo kritična in jo označimo . Ta vrednost je meja med načini domene Gunnove diode in načini s stabilno porazdelitvijo električnega polja v enakomerno dopiranem vzorcu. Če domena močnega polja ni oblikovana, se vzorec imenuje stabilen. Možni so različni načini domene. Kriterij tipa velja, strogo gledano, samo za strukture, v katerih je dolžina aktivne plasti med katodo in anodo veliko manjša od prečnih dimenzij: (slika 6, a), kar ustreza enodimenzionalnemu problemu in je značilen za planarne in mezastrukture. Za tankoplastne strukture (sl. 6, b) se lahko epitaksialno aktivna plast GaAs dolžine 1 nahaja med substratom z visoko upornostjo 3 in izolacijskim dielektričnim filmom 2, izdelanim na primer iz SiO 2. Ohmski anodni in katodni kontakti so izdelani s fotolitografskimi metodami. Prečna velikost diode je lahko primerljiva z njeno dolžino. V tem primeru prostorski naboji, ki nastanejo med tvorbo domene, ustvarjajo notranja električna polja, ki nimajo samo vzdolžne, temveč tudi prečne komponente (slika 6, c). To vodi do zmanjšanja polja v primerjavi z enodimenzionalnim problemom. Ko je debelina aktivnega filma majhna, ko je , se kriterij odsotnosti nestabilnosti domene nadomesti s pogojem . Za takšne strukture, s stabilno porazdelitvijo električnega polja, je lahko večja.

Čas oblikovanja domene ne sme preseči polovice cikla mikrovalovnih nihanj. Zato obstaja drugi pogoj za obstoj gibljive domene, iz katerega ob upoštevanju (1) dobimo .

Ko dioda deluje v vezju z visokim uporom, ko je , je lahko amplituda izmenične napetosti precej velika, tako da v določenem delu obdobja postane trenutna napetost na diodi manjša od praga (ustreza krivulji 2 na sliki 4b). V tem primeru govorimo o načinu z zamikom pri oblikovanju domene. Domena se oblikuje, ko napetost na diodi preseže prag, to je v določenem trenutku (glej sliko 4, d). Po nastanku domene se tok diode zmanjša na in ostane ves čas letenja domene. Ko domena v določenem trenutku izgine na anodi, je napetost na diodi nižja od praga in dioda predstavlja aktivni upor. Sprememba toka je sorazmerna z napetostjo na diodi do trenutka, ko tok doseže največjo vrednost in je napetost na diodi enaka pragu. Začne se oblikovanje nove domene in celoten proces se ponovi. Trajanje tokovnega impulza je enako zakasnitvenemu času nastanka nove domene. Čas oblikovanja domene velja za majhen v primerjavi z in . Očitno je takšen način mogoč, če je čas leta znotraj meja in je frekvenca ustvarjenih nihanj .

Pri še večji amplitudi visokofrekvenčne napetosti, ki ustreza krivulji 3 na sl. 4e). Domena se oblikuje v določenem trenutku in se raztopi v trenutku, ko se začne oblikovati nova domena, potem ko napetost preseže mejno vrednost. Ker izginotje domene ni povezano z njenim dosegom anode, lahko čas leta elektronov med katodo in anodo v načinu kaljenja domene preseže obdobje nihanja: . Tako v načinu dušenja. Zgornja meja generiranih frekvenc je omejena s pogojem in je lahko .

način ONOZ.

Nekoliko kasneje kot domenski načini je bil za Gunnove diode predlagan in implementiran način omejevanja kopičenja prostorskega naboja. Obstaja pri konstantnih napetostih na diodi, nekajkrat višjih od mejne vrednosti, in velikih amplitudah napetosti pri frekvencah, ki so nekajkrat višje od frekvence leta. Za izvedbo načina ONOS so potrebne diode z zelo enakomernim dopirnim profilom. Enakomerna porazdelitev električnega polja in koncentracije elektronov po dolžini vzorca je zagotovljena z visoko hitrostjo spreminjanja napetosti na diodi. Če je časovno obdobje, v katerem prehaja jakost električnega polja skozi območje NDC karakteristike, veliko krajše od časa nastajanja domene, potem ni opazne prerazporeditve polja in prostorskega naboja po dolžini diode. Hitrost elektronov po celotnem vzorcu »sledi« spremembi električnega polja, tok skozi diodo pa je določen z odvisnostjo hitrosti od polja (slika 7).

Štetje , , imamo . Ta neenakost določa obseg vrednosti, v katerem se izvaja način ONZ.

Elektronsko učinkovitost Gunnovega diodnega generatorja v načinu ONOS je mogoče izračunati iz trenutne oblike (slika 7). pri Največja učinkovitost je 17%.

Slika 7. Časovna odvisnost toka na Gunnovi diodi v načinu ONOS.

Obravnavani procesi v Gunnovi diodi v domenskih načinih so v bistvu idealizirani, saj se realizirajo pri relativno nizkih frekvencah (1–3 GHz), kjer je nihajna doba bistveno krajša od časa nastajanja domene, dolžina diode pa veliko večja od dolžina domene pri običajnih ravneh dopinga . Najpogosteje se neprekinjene Gunnove diode uporabljajo pri višjih frekvencah v tako imenovanih hibridnih načinih. Hibridni načini delovanja Gunnovih diod so vmesni med ONOS in domenskimi načini. Za hibridne načine je značilno, da tvorba domene zavzame večino nihajne dobe. Nepopolno oblikovana domena se razreši, ko se trenutna napetost na diodi zmanjša na vrednosti pod pragom. Jakost električnega polja zunaj območja naraščajočega prostorskega naboja ostaja na splošno večja od praga. Procese, ki potekajo v diodi v hibridnem načinu, analiziramo z računalnikom z enačbami (1), (3) in (4). Hibridni načini zavzemajo širok razpon vrednosti in niso tako občutljivi na parametre vezja kot način ONOZ.

Slika 8. Elektronska učinkovitost GaAs Gunn diodnih generatorjev za različne načine delovanja:

1–z zamikom pri oblikovanju domene

2–z zatiranjem domene

Slika 9. Časovna odvisnost napetosti (a) in toka (b) Gunnove diode v načinu visoke učinkovitosti.

3-hibrid

Konstrukcije in parametri generatorjev na osnovi Gunnovih diod.

V domenskih načinih torej v skladu z imamo:

kjer je ekvivalentna obremenitvena upornost, preračunana na sponke diode in enaka modulu aktivnega negativnega upora LPD.

V valovodnem generatorju (slika 10, a) je Gunnova dioda 1 nameščena med širokimi stenami pravokotnega valovoda na koncu kovinske palice. Prednapetost se napaja preko vhoda dušilke 2, ki je izdelan v obliki odsekov četrtvalovnih koaksialnih linij in služi za preprečevanje prodiranja mikrovalovnih nihanj v vezje vira energije. Resonator z nizkim Q tvorijo pritrdilni elementi diode v valovodu. Frekvenca generatorja se nastavi z uporabo varaktorske diode 3, ki se nahaja na polvalovni razdalji in je nameščena v valovodu podobno kot Gunnova dioda. Pogosto so diode vključene v valovod z zmanjšano višino, ki je s četrtvalovnim transformatorjem povezan z izhodnim valovodom standardnega odseka.

Slika 10. Zasnova generatorjev na osnovi Gunnovih diod:

a-valovod; b-mikrotrak; c–z nastavitvijo frekvence s kroglo YIG

V mikrotrakasti izvedbi (slika 10, b) je dioda 1 povezana med bazo in tračnim vodnikom. Za stabilizacijo frekvence se uporablja visokokakovosten dielektrični resonator 4 v obliki diska iz dielektrika z nizkimi izgubami in visoko vrednostjo (na primer barijev titanat), ki se nahaja v bližini traku MPL prevodnika širine . Kondenzator 5 služi za ločevanje napajalnih tokokrogov in mikrovalovne poti. Napajalna napetost se napaja skozi induktorsko vezje 2, ki je sestavljeno iz dveh četrtvalovnih odsekov MPL z različnimi valovnimi impedancami, linija z nizkim uporom pa je odprta. Uporaba dielektričnih resonatorjev s pozitivnim temperaturnim koeficientom frekvence omogoča ustvarjanje oscilatorjev z majhnimi frekvenčnimi premiki pri spreminjanju temperature (~40 kHz/°C).

Frekvenčno nastavljive generatorje na osnovi Gunnovih diod je mogoče izdelati z uporabo monokristalov itrijevega železovega granata (slika 10, c). Frekvenca generatorja se v tem primeru spremeni zaradi uravnavanja resonančne frekvence kakovostnega resonatorja, ki ima obliko YIG krogle majhnega premera, ko se spremeni magnetno polje. Največja nastavitev je dosežena v nepakiranih diodah, ki imajo minimalne reaktivne parametre. Visokofrekvenčno vezje diode je sestavljeno iz kratkega zavoja, ki obdaja YIG-sfero 6. Povezava diodnega vezja z obremenitvenim vezjem se izvede zaradi medsebojne induktivnosti, ki jo zagotavlja YIG-sfera in pravokotno nameščeni sklopni zavoji. Območje električne nastavitve takšnih generatorjev, ki se pogosto uporabljajo v avtomatskih merilnih napravah, doseže oktavo z izhodno močjo 10–20 mW.

Slika 11. Posplošeno ekvivalentno vezje Gunnove diode.

Ojačevalniki na osnovi Gunnovih diod.

Razvoj ojačevalnikov na osnovi Gunnovih diod je zelo zanimiv predvsem za milimetrsko območje valovnih dolžin, kjer je uporaba mikrovalovnih tranzistorjev omejena. Pomembna naloga pri izdelavi ojačevalnikov na osnovi Gunnovih diod je zagotoviti stabilnost njihovega delovanja (stabilizacija diode) in predvsem zatiranje oscilacij tipa domene majhnega signala. To lahko dosežemo z omejevanjem parametra diode, obremenitvijo diode z zunanjim vezjem, izbiro profila dopiranja diode, zmanjšanjem preseka ali nanosom dielektričnega filma na vzorec. Kot ojačevalniki se uporabljajo tako planarne kot mezastrukturne diode, ki imajo negativno prevodnost pri napetostih nad pragom v širokem frekvenčnem območju blizu frekvence letenja in se uporabljajo kot regenerativni odsevni ojačevalniki s cirkulatorjem na vhodu, pa tudi bolj zapletene filmske strukture. ki uporabljajo pojav valovne rasti prostorskega naboja v materialu z NDC, ki se pogosto imenujejo ojačevalniki potujočih valov s tankim filmom (TWA).

Slika 12. Profil dopinga (a) in porazdelitev polja (b) v Gunnovi diodi z visokoupornim katodnim območjem.

Za tipe obravnavanih ojačevalnikov je značilen širok dinamični razpon, učinkovitost 2–3 % in vrednost hrupa ~10 dB v območju centimetrskih valovnih dolžin.

V teku je razvoj tankoslojnih ojačevalnikov potujočega vala (slika 13), ki zagotavljajo enosmerno ojačanje v širokem frekvenčnem pasu in ne zahtevajo uporabe ločilnih obtočnih črpalk. Ojačevalnik je epitaksialna plast GaAs 2 debela (2–15 μm), gojena na substratu z visoko upornostjo 1. Ohmski kontakti katode in anode se nahajajo na razdalji drug od drugega in zagotavljajo odnašanje elektronov vzdolž filma, ko konstantna napetost se uporablja zanje. Za vnos in izhod mikrovalovnega signala iz naprave se uporabljata dva kontakta 3 v obliki Schottkyjeve pregrade s širino 1–5 μm. Vhodni signal, dobavljen med katodo in prvim Schottkyjevim kontaktom, vzbuja val prostorskega naboja v toku elektronov, ki spreminja amplitudo, ko se premika proti anodi s fazno hitrostjo.

Slika 13. Diagram tankoslojnega ojačevalnika potujočega valovanja GaAs z vzdolžnim odmikom

Eden od njih je neposredni val, ki se širi vzdolž filma od katode do anode s fazno hitrostjo in ima amplitudo, ki se spreminja po zakonu:

(10)

[L]. Berezin et al. Mikrovalovne elektronske naprave. – M. Višja šola 1985.

Obravnava enačb (1) z namenom njihove modifikacije za področje EM vektorskega potenciala, saj bodo nove enačbe omogočile dosleden opis procesov netoplotnega delovanja elektrodinamičnih polj v materialnih medijih: električnem in magnetnem polarizacija medija, prenos gibalne količine EM impulza nanj. Že začetni odnosi primarnega razmerja med komponentami EM polja in poljem EM vektorskega potenciala z...

Polarnosti napajalnikov na sliki 3.4 in smeri tokov za p-n-p tranzistor. V primeru n-p-n tranzistorja so polaritete napetosti in smeri toka obrnjene. Slika 3.4 Fizikalni procesi v BT. Ta način delovanja (NAR) je glavni in določa namen in ime elementov tranzistorja. Emiterski spoj vbrizga nosilce v ozek ...

S sekundarnimi napravami so povezani s termoelektričnimi žicami, ki tako rekoč podaljšujejo termoelektrode. Sekundarne naprave, ki delujejo v povezavi s termoelektričnimi pretvorniki, so magnetoelektrični milivoltmetri in potenciometri. Delovanje magnetoelektričnega milivoltmetra temelji na interakciji okvirja, ki ga tvori prevodnik, skozi katerega teče tok z...

Nadzor temperature; Germanijeve in silicijeve ploščate diode. Teoretična prehranska znanja, potrebna za laboratorijsko delo: 1. Fizikalni procesi, ki nastanejo kot posledica stika prevodnikov z različnimi vrstami prevodnosti. 2. Prehod elektronskega imenika na enaki postaji. Energijski diagram. 3. Vbrizg in ekstrakcija naboja. 4. Volt amperska karakteristika (...

Pošljite svoje dobro delo v bazo znanja je preprosto. Uporabite spodnji obrazec

Študenti, podiplomski študenti, mladi znanstveniki, ki bazo znanja uporabljajo pri študiju in delu, vam bodo zelo hvaležni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru//

Uvod

Izvor in razvoj mikroelektronike kot nove znanstvene in tehnične smeri, ki zagotavlja ustvarjanje kompleksne radioelektronske opreme (REA), je neposredno povezan s kriznimi razmerami, ki so nastale v zgodnjih 60. letih, ko so tradicionalne metode izdelave REA iz diskretnih elementov njihova sekvenčna montaža ni mogla zagotoviti zahtevane zanesljivosti, učinkovitosti, porabe energije, časa izdelave in sprejemljivih dimenzij REA.

Kljub kratkemu obdobju obstoja je medsebojna povezava mikroelektronike z drugimi področji znanosti in tehnologije zagotovila nenavadno visoke stopnje razvoja te industrije in bistveno skrajšala čas za industrijsko implementacijo novih idej. K temu je prispeval tudi nastanek svojevrstnih povratnih povezav med razvojem integriranih vezij, ki so osnova za avtomatizacijo proizvodnje in upravljanja, ter uporabo teh razvojev za avtomatizacijo samega procesa načrtovanja, proizvodnje in testiranja integriranih vezij.

Razvoj mikroelektronike je bistveno spremenil principe zasnove elektronskih naprav in pripeljal do uporabe kompleksne integracije, ki jo sestavljajo:

strukturna ali vezna integracija (tj. integracija funkcij vezja znotraj ene same strukturne enote); s stopnjo integracije na stotine in tisoče komponent, obstoječe metode delitve sistemov na komponente, naprave, podsisteme in bloke ter oblike usklajevanja razvoja komponent, naprav in podsistemov postanejo neučinkovite; hkrati se težišče premakne na področje vezja, kar zahteva korenito prestrukturiranje metod za implementacijo elektronskih sistemov z gradnjo opreme na supermodularni ravni;

1.Vloga tehnologije tankih filmov pri izdelavi integriranih vezij

Integrirana elektronika se ne razvija kot novo ali ločeno področje tehnologije, ampak s posploševanjem številnih tehnoloških tehnik, ki so se prej uporabljale v proizvodnji diskretnih polprevodniških naprav in v proizvodnji filmskih prevlek z zgornjim premazom. V skladu s tem sta bili v integrirani elektroniki opredeljeni dve glavni smeri: polprevodniška in tankoplastna.

Ustvarjanje integriranega vezja na enojni monokristalni polprevodniški (zaenkrat samo silicijevi) rezini je naraven razvoj tehnoloških principov ustvarjanja polprevodniških naprav, razvitih v zadnjih desetletjih, ki so se, kot je znano, izkazali pri delovanju.

Tankoslojna smer integrirane elektronike temelji na zaporedni rasti filmov različnih materialov na skupni podlagi (substratu) s hkratnim nastajanjem mikro delov (upori, kondenzatorji, kontaktne ploščice itd.) in povezav v vezju iz teh filmov.

Relativno nedavno so polprevodniški (trdni) in tankoslojni hibridni IC veljali za konkurenčne smeri v razvoju integrirane elektronike. V zadnjih letih je postalo očitno, da se ti dve smeri sploh ne izključujeta, temveč se, nasprotno, medsebojno dopolnjujeta in bogatita. Poleg tega do danes niso bila ustvarjena integrirana vezja, ki bi uporabljala katero koli vrsto tehnologije (in očitno za to ni potrebe). Tudi monolitna silicijeva vezja, izdelana predvsem s polprevodniško tehnologijo, istočasno uporabljajo metode, kot je vakuumsko nanašanje filmov iz aluminija in drugih kovin, za izdelavo povezav v vezju, torej metode, na katerih temelji tehnologija tankih filmov.

Velika prednost tankoplastne tehnologije je njena fleksibilnost, ki se izraža v zmožnosti izbire materialov z optimalnimi parametri in lastnostmi ter pridobitve dejansko poljubne konfiguracije in parametrov pasivnih elementov. V tem primeru se lahko tolerance, s katerimi se vzdržujejo posamezni parametri elementov, povečajo na 1-2%. Ta prednost je še posebej učinkovita v primerih, ko sta točna vrednost ocen in stabilnost parametrov pasivnih komponent kritična (na primer pri izdelavi linearnih vezij, uporovnih in RC vezij, nekaterih vrst filtrov, fazno občutljivih in selektivna vezja, generatorji itd.).

Zaradi nenehnega razvoja in izboljšav tako polprevodniške kot tankoslojne tehnologije ter vse večje kompleksnosti IC, kar se odraža v povečanju števila komponent in kompleksnosti njihovih funkcij, je pričakovati, da bo v bližnji v prihodnosti bo potekal proces integracije tehnoloških metod in tehnik, najbolj zapleteni IC-ji pa bodo izdelani z uporabo konvergenčne tehnologije. V tem primeru je mogoče pridobiti takšne parametre in takšno zanesljivost IC, ki jih ni mogoče doseči z vsako vrsto tehnologije posebej. Na primer, pri izdelavi polprevodniškega IC se vsi elementi (pasivni in aktivni) izvajajo v enem tehnološkem procesu, zato so parametri elementov med seboj povezani. Aktivni elementi so odločilni, saj se običajno stičišče baza-kolektor tranzistorja uporablja kot kondenzator, območje difuzije, ki izhaja iz ustvarjanja baze tranzistorja, pa se uporablja kot upor. Nemogoče je optimizirati parametre enega elementa, ne da bi hkrati spremenili značilnosti drugih. Glede na značilnosti aktivnih elementov se lahko ocene pasivnih elementov spremenijo le s spremembo njihovih velikosti.

Pri kombinirani tehnologiji so aktivni elementi najpogosteje izdelani s planarno tehnologijo v silicijevi rezini, pasivni elementi pa so izdelani s tankoplastno tehnologijo na oksidiranem elementu za elementom (upori in včasih kondenzatorji) - površina iste silicijeve rezine. . Vendar pa sta proizvodna procesa aktivnega in pasivnega dela IC časovno ločena. Zato so lastnosti pasivnih elementov v veliki meri neodvisne in so določene z izbiro materiala, debeline filma in geometrije. Ker so tranzistorji hibridnega IC nameščeni znotraj substrata, se lahko velikost takega vezja znatno zmanjša v primerjavi s hibridnimi IC, ki uporabljajo diskretne aktivne elemente, ki zavzamejo relativno veliko prostora na substratu.

Vezja, izdelana s kombinirano tehnologijo, imajo številne nedvomne prednosti. Na primer, v tem primeru je mogoče na majhnem območju dobiti upore z veliko vrednostjo in majhnim temperaturnim koeficientom upora, ki imajo zelo ozko širino in visoko površinsko upornost. Nadzor hitrosti nanašanja med proizvodnjo uporov omogoča njihovo izdelavo z zelo visoko natančnostjo. Za upore, pridobljene z nanašanjem filma, niso značilni uhajajoči tokovi skozi substrat tudi pri visokih temperaturah, relativno visoka toplotna prevodnost substrata pa preprečuje možnost pojava območij s povišano temperaturo v tokokrogih.

Tanki filmi se poleg proizvodnje IC z epitaksialno-planarno tehnologijo pogosto uporabljajo v proizvodnji hibridnih IC, pa tudi pri izdelavi novih vrst mikroelektronskih naprav (elektronsko sklopljenih naprav, kriotronskih polnilnikov na osnovi Josephsona). učinek, polnilniki na cilindričnih magnetnih domenah itd.).

2. Tankoplastna metalizacija polprevodniških elementov in integriranih vezij

Pri izdelavi polprevodniških naprav in IC-jev za ustvarjanje ohmskih kontaktov s silicijem, medsebojnih povezav in kontaktnih ploščic ter zapornih elektrod MOS struktur so aluminijaste folije postale zelo razširjene zaradi naslednjih prednosti te kovine:

nizki stroški Al in možnost uporabe ene kovine za vse postopke metalizacije, kar bistveno poenostavi in poceni tehnologijo ter prepreči nastanek galvanskih učinkov;

visoka električna prevodnost Al filmov, blizu električne prevodnosti razsutega materiala; enostavnost izparevanja Al v vakuumu iz volframovih lončkov in uparjalnikov z elektronskim žarkom;

visoka oprijemljivost A1 na silicij in njegove okside; nizkoodporni stik Al s silicijem in prevodnost n-tipa;

opazna topnost silicija v Al s tvorbo trdne raztopine, ki skoraj ne zmanjša električne prevodnosti;

odsotnost kemičnih spojin v sistemu Al-Si;

kemična interakcija A1 s Si02, ki delno ostane na kontaktnih ploščicah; kemična odpornost A1 v oksidativnem okolju in odpornost na sevanje;

enostavnost fotolitografskih operacij za pridobitev konfiguracije prevodnih sledi z uporabo jedkalnikov, ki ne reagirajo s silicijem in silicijevim dioksidom; dobra Al duktilnost in odpornost na ciklične temperaturne spremembe.

Velikost zrn nanesenih Al filmov je močno odvisna od hitrosti izhlapevanja in temperature substratov. Večja kot je velikost zrn in bolj popolna kristalna struktura filma, manjša je njegova upornost, manjši je učinek elektromigracije in posledično imajo tokovne poti in ohmski kontakti daljšo življenjsko dobo. Usmerjeno rast filmov Al na neoksidiranih površinah silicija v ravnini (111) opazimo pri hitrostih nanašanja približno 3 * 10-2 μm * s-1 in temperaturi podlage 200--250 °C.

Za doseganje tako visokih hitrosti nanašanja filma se najpogosteje uporabljajo uparjalniki z elektronskim žarkom. V tem primeru se lahko stopnja popolnosti kristalne strukture filmov nenadzorovano spreminja zaradi dodatnega sevalnega segrevanja substratov, katerega obseg je odvisen tako od moči uparjalnika kot od materiala substrata in debeline sloja. deponiran film. Nenadzorovane spremembe v strukturi filma nastanejo tudi zaradi prisotnosti nabitih delcev v molekularnem snopu uparjene Al pare. Višji kot je katodni emisijski tok in večja kot je stopnja izhlapevanja, večja je koncentracija nabitih delcev.

Ena od pomembnih pomanjkljivosti čistih Al filmov je prenos snovi kot posledica elektrodifuzije (drift materialnih ionov vzdolž prevodnika, ne glede na to, ali obstaja potencialna razlika na koncih slednjega). Hitrost gibanja ionov je funkcija temperature in narašča s temperaturo. Poleg elektrodifuzije je možna tudi difuzija kovinskih atomov kot posledica temperaturne razlike na koncih prevodnika. Če se Al nanese na silicijev oksid, to povzroči slabo odvajanje toplote, pojav "vročih" središč na prevodnih poteh in posledično znatne temperaturne gradiente. Elektromigracija Al pri tokovnih gostotah, nižjih kot pri drugih kovinah, vodi do pojava praznin v filmu (Kirkendallov učinek).

Ker je elektrodifuzija aktivacijski proces, je bistveno odvisna od stanja mejne površine zrn. Zmanjšanje obsega meja s povečanjem velikosti zrn in izbiro materiala zaščitnega premaza lahko znatno poveča aktivacijsko energijo in posledično čas med okvarami. Znatno podaljšanje časa med okvarami je mogoče doseči z dodajanjem primesi bakra, magnezija, kroma in aluminijevega oksida aluminiju.

Po nanosu filma A1 in pridobitvi zahtevane konfiguracije tokovnih tirov se A1 pri temperaturi 500-550 °C zlije v silicij, da dobimo kontakt z nizkim uporom. Migracija odvečnega silicija na tokovnih poteh, ki mejijo na kontaktne podlage, povzroči luščenje A1 in okvare IC. Da bi to preprečili, je treba pri izhlapevanju A1 vnesti približno 2 mas. % silicija. Dodatek silicija na kontaktne ploščice iz A1 zmanjša migracijo silicija iz plitke emiterske plasti (približno 1 μm), kar bistveno poveča zmogljivost IC na bipolarnih tranzistorjih in prepreči kratek stik plitvih emiterskih spojev v IC . Za preprečitev migracije silicija v film A1 lahko kot vmesni sloj uporabimo film iz titana. Uporaba metode ustvarjanja ohmskih kontaktov s podslojem titana v hitro delujočih IC je omogočila povečanje časa med okvarami za 20-krat. Poleg titana se lahko za tvorbo platininega silicida ali paladijevega silicida uporabi podplast iz platine ali paladija.

Poleg prej naštetih prednosti ima metalizacija aluminija številne pomembne pomanjkljivosti, med katerimi so najpomembnejše naslednje:

nizka aktivacijska energija atomov A1, ki povzroča elektromigracijo pri tokovnih gostotah približno 106 A/cm2 in povišanih temperaturah, kar povzroči nastanek praznin v filmih;

možnost kratkega stika skozi dielektrik v večnivojskih metalizacijskih sistemih zaradi nastanka ostrih izboklin na ražnju kot posledica elektromigracije in rekristalizacije A1;

nevarnost galvanske korozije Al pri sočasni uporabi drugih kovin; visoka stopnja difuzije A1 vzdolž meja zrn, ki ne dovoljuje uporabe naprav z metalizacijo A1 pri temperaturah nad 500°C;

intenzivna kemična interakcija A1 s silicijevim dioksidom pri temperaturi približno 500 °C;

nizko tališče v evtektiku sistemov aluminij-silicij je približno 577 °C;

velika razlika (6-krat) med koeficientom toplotnega raztezanja A1 in 51;

mehkoba A1 in posledično nizka mehanska trdnost filmov;

nezmožnost povezovanja vodnikov s spajkanjem;

visoka mejna napetost v MOS strukturah zaradi visoke delovne funkcije.

Zaradi naštetih slabosti se metalizacija aluminija ne uporablja v IC in tranzistorjih z majhnimi emiterskimi spoji, kot tudi v MIS IC za ... izdelavo vratnih elektrod. V ta namen se uporabljajo enoslojni in večslojni sistemi iz različnih kovin (tudi A1 za zgornjo plast). Najprimernejša materiala sta volfram in molibden. Zlasti volfram ima skoraj enak TCR kot silicij, dober ohmski stik s prevodnostjo silicija in n-tipa, majhno (2,5-krat) razliko od aluminija v električni prevodnosti, najvišjo aktivacijsko energijo med vsemi kovinami med samodifuzijo, visoko temperaturno taljenje evtektika s silicijem, kemična inertnost na zraku in v vodni raztopini fluorovodikove kisline ter visoka trdota, ki odpravlja možnost prask na filmu.

Zaradi visoke temperaturne obstojnosti W se lahko uporablja za večplastno metalizacijo z izmeničnimi plastmi silicijevega dioksida in W. Med toplotno obdelavo se na površini filma ne tvorijo gomile in ni nevarnosti kratkega stika med tokovne poti pri večplastni metalizaciji. Poleg tega so W filmi (pa tudi Mo filmi) metalurška pregrada, ki preprečuje nastanek medkristalne strukture silicija in aluminija.

Pomanjkljivost W metalizacije je težava pri pridobivanju filmov (za kar se običajno uporablja piroliza volframovega heksofluorida) in njihovem jedkanju (v alkalni raztopini ferocianida). Oba procesa sta kompleksna in vključujeta strupene snovi. Poleg tega je nemogoče priključiti zunanje vodnike neposredno na volfram, zato je nekaj drugih kovin (Pt, Ni, Au, Cu, Al itd.) naneseno na kontaktne ploščice.

Pri izdelavi mikrovalovnih IC, IC za posebne namene in tudi v hibridni tehnologiji se uporablja metalizacija, sestavljena iz več plasti tankih kovin. V tem primeru mora imeti običajno prva (spodnja) plast kovine visoko oprijemljivost na silicij in silicijev dioksid ter hkrati nizke koeficiente topnosti in difuzije v teh materialih. Te zahteve izpolnjujejo kovine, kot so krom, titan, molibden in platinov silicid. Pri dvoslojni metalizaciji mora druga (zgornja) plast kovine imeti visoko električno prevodnost in zagotoviti varjenje žičnih vodnikov do nje. Vendar pa v nekaterih sistemih (kot so Cr-Au, Ti-Au ali Cr-Cu) stiki

Med toplotno obdelavo izgubijo mehansko trdnost zaradi tvorbe intermetalnih spojin na njihovih mejah. Poleg tega prekrivna kovina difundira skozi spodnjo plast v silicij, kar zmanjša mehansko trdnost spoja in spremeni kontaktni upor. Za odpravo tega pojava se običajno uporablja tretja plast kovine, ki je pregrada, ki preprečuje interakcijo zgornje metalizacijske plasti s silicijem. Na primer, v trojnem sistemu Tt-Pl-Au, ki se uporablja pri izdelavi žarkovnih sponk, je plast

riž. 1. Shema proizvodnega procesa dvonivojske metalizacije v sistemu A1-A1rOz-A1. mikroelektronika integriran tanki film

a- nanašanje debelih in tankih plasti silicijevega oksida pred metalizacijo (prikazano je območje ohmičnega stika); b - uporaba aluminija, ki tvori prvo raven; c -- fotogravura prvega nivoja kovine; d - eloksiranje prve stopnje metalizacije s fotorezistno masko; e - nanos aluminija, ki tvori drugo stopnjo; f - fotograviranje druge stopnje metalizacije.

Pt z debelino približno 5X10-2 μm služi kot ovira proti difuziji A1 v S1. Poleg tega se za žarkovne terminale v MIS IC uporabljajo sistemi Cr-Ag-Au, Cr-Ag-Pt, Pd-Ag-Au, v katerih vlogo pregrade igra srebrni film. Za hibridne IC in trakaste mikrovalovne IC linije se uporabljata sistema Cr-Cu in Cr-Cu-Cr.

Povečanje gostote elementov na čipu je zahtevalo uporabo večnivojske metalizacije. Na sl. Slika 1 prikazuje zaporedje izdelave dvonivojske metalizacije v sistemu A1-A1203-A1, ki se uporablja v nabojno sklopljenih napravah.

Relativno nov izolacijski material za večnivojsko metalizacijo je poliimid, s katerim dobimo petnivojsko metalizacijo LSI na MOS tranzistorjih.

3. Dejavniki, ki vplivajo na lastnosti tankih plasti

Rast ene snovi na substratu iz druge snovi je zelo zapleten proces, odvisen od velikega števila težko nadzorovanih parametrov: strukture substrata, stanja njegove površine, temperature, lastnosti izhlapene snovi. in hitrost njegovega odlaganja, material in zasnova uparjalnika, stopnja vakuuma, sestava preostalega okolja in številni drugi. V tabeli Slika 1 prikazuje razmerje med lastnostmi filmov in pogoji njihovega nanašanja.

Lastnosti filma

dejavniki, ki vplivajo na te lastnosti

Velikost zrn

Substrat in filmski material. Kontaminacija substrata.

Mobilnost atomov nanesenega materiala na površini

podlage (temperatura podlage, hitrost nanašanja).

Struktura površine podlage (stopnja hrapavosti,

prisotnost kristalov)

Namestitev kristalov

Struktura substrata "" (monokristalna,

polikristalni ali amorfni). Kontaminacija substrata

(kršitev strukture filma). Temperatura podlage

(zagotavljanje potrebne mobilnosti atomov odloženega

material)

Adhezija med filmom

Substrat in filmski material. Dodatni procesi

(na primer tvorba vmesne oksidne plasti

med filmom in podlago). Kontaminacija substrata.

Mobilnost atomov nanesenega materiala

onesnaženje

Čistost uparjenega materiala. Material uparjalnika.

Kontaminacija substrata. Stopnja vakuuma in sestava

plini in hitrost usedanja

Oksidacija

Stopnja kemijske afinitete odloženega materiala do

kisik. Absorpcija vodne pare s podlago.

Temperatura podlage. Stopnja vakuuma in sestava

preostalo okolje. Razmerje med preostalim tlakom

plini in hitrost usedanja

Napetost

Material filma in substrata. Temperatura podlage.

Velikost zrn, vključki, kristalografske napake v

film. Žarjenje. Kot med molekularnim žarkom in substratom

Odvisno od posebnih pogojev nanašanja imajo lahko filmi iste snovi naslednje glavne strukturne značilnosti: amorfno strukturo, za katero je značilna odsotnost kristalne mreže; koloidno (drobnozrnato) strukturo, za katero je značilna prisotnost zelo majhnih kristalov (manj kot 10~2 µm); zrnata (grobozrnata) struktura z velikimi kristali (10-1 µm ali več); monokristalna struktura, ko je celoten film zvezna kristalna mreža atomov danega materiala.

4. Podlage

Material, uporabljen za izdelavo substratov, mora imeti homogeno sestavo, gladko površino (s končno stopnjo 12-14), visoko električno in mehansko trdnost, biti kemično inerten, imeti visoko toplotno odpornost in toplotno prevodnost, koeficiente toplotnega raztezanja. substratnega materiala in nanesenega filma mora biti blizu vrednosti. Povsem jasno je, da je skoraj nemogoče izbrati materiale za podlage, ki bi v enaki meri zadostili vsem naštetim zahtevam.

Kot podlage za hibridne IC uporabljam steklokeramiko, fotositall, visokoaluminijevo in berilijevo keramiko, steklo, polikor, poliimid, pa tudi kovine, prevlečene z dielektričnim filmom.

Sitali so steklokeramični materiali, pridobljeni s toplotno obdelavo (kristalizacijo) stekla. Največ steklokeramike smo pridobili v sistemih Li2O-Al2O3-SiO2-TiO2 in RO-Al2O3-SiO2-TiO2 (CO tip CaO, MgO, BaO).

Za razliko od večine visoko trdnih, ognjevzdržnih kristalnih materialov ima steklokeramika dobro prožnost med tvorbo. Lahko ga stiskamo, vlečemo, valjamo in centrifugalno lijemo ter prenese nenadne spremembe temperature. Ima nizke dielektrične izgube, njegova električna trdnost ni slabša od najboljših vrst vakuumske keramike, mehanska trdnost pa je 2-3 krat močnejša od stekla. Sital je neporozen, plinotesen in pri visokih temperaturah ne sprošča velike količine plina.

Ker ima steklokeramika večfazno strukturo, ko je izpostavljena različnim kemičnim reagentom, ki se uporabljajo, na primer za čiščenje površine substrata pred kontaminanti, je možno globoko selektivno jedkanje posameznih faz, kar vodi do oblikovanja ostrega in globokega reliefa. na površini podlage. Prisotnost hrapavosti na površini substrata zmanjšuje ponovljivost parametrov in zanesljivost tankoslojnih uporov in kondenzatorjev. Zato se za zmanjšanje višine in glajenje robov mikronepravilnosti včasih nanese temeljni sloj materiala z dobrimi dielektričnimi in lepilnimi lastnostmi ter enakomerno strukturo (na primer več mikronov debela plast silicijevega monoksida). na podlago.

Od stekel se kot substrati uporabljajo amorfna silikatna stekla, brezalkalno steklo C48-3, borosilikatno in kremenčevo steklo. Silikatna stekla pridobivamo iz tekoče taline oksidov s prehladitvijo, pri čemer se ohrani struktura tekočine, to je značilno amorfno stanje. Stekla sicer vsebujejo območja s kristalno fazo - kristalite, vendar so ti naključno razporejeni po celotni strukturi, zavzemajo majhen del volumna in nimajo bistvenega vpliva na amorfnost stekla.

Kvarčno steklo je enokomponentno silikatno steklo, sestavljeno skoraj v celoti iz silicija in pridobljeno s taljenjem njegovih naravnih vrst. Ima zelo nizek koeficient toplotnega raztezanja, kar določa njegovo izjemno visoko toplotno odpornost. V primerjavi z drugimi stekli je kremenčevo steklo inertno na delovanje večine kemičnih reagentov. Organske in mineralne kisline (z izjemo fluorovodikove in fosforne kisline) katere koli koncentracije, tudi pri povišanih temperaturah, skoraj ne vplivajo na kremenčevo steklo.

Keramične podlage so zaradi svoje visoke poroznosti omejene uporabe. Prednosti teh substratov so visoka trdnost in toplotna prevodnost. Na primer, keramični substrat na osnovi BeO ima 200-250-krat večjo toplotno prevodnost kot steklo, zato je pri intenzivnih toplotnih pogojih priporočljiva uporaba berilijeve keramike. Poleg berilijeve keramike se uporabljajo keramika z visoko vsebnostjo aluminijevega oksida (94 % Al2Oz), gosta aluminijeva oksidna, steatitna keramika in glazirana keramika na osnovi aluminijevega oksida. Upoštevati je treba, da so glazure debele manj kot 100 mikronov in zato ne zagotavljajo opazne pregrade med filmom in substratom pri nizkih ravneh moči. Mikrohrapavost neobdelane keramike je stokrat večja kot pri steklu in doseže več tisoč angstromov. S poliranjem jih sicer lahko precej zmanjšamo, a s tem močno onesnažimo keramično površino.

Prisotnost kontaminantov na substratu pomembno vpliva tako na oprijem kot na električne lastnosti filmov. Zato je potrebno pred nanosom temeljito očistiti podlage in jih zaščititi pred možnostjo pojava oljnih filmov, ki lahko nastanejo kot posledica migracije hlapov delovne tekočine iz črpalk. Učinkovita metoda čiščenja je ionsko obstreljevanje površine substrata v plazmi z žarečo razelektritvijo. V ta namen so v delovni komori vakuumske naprave običajno nameščene posebne elektrode, na katere se napaja napetost nekaj kilovoltov iz visokonapetostnega vira majhne moči. Elektrode so najpogosteje izdelane iz aluminija, ker ima med kovinami najnižjo stopnjo katodnega razprševanja.

Upoštevati je treba, da lahko že manjša kontaminacija popolnoma spremeni pogoje rasti filma. Če se kontaminanti nahajajo na substratu v obliki majhnih otokov, izoliranih drug od drugega, lahko film nastane, odvisno od tega, katera vezavna energija je večja: med filmskim materialom in kontaminantnim materialom ali med filmskim materialom in substratom. teh otokih ali na golih delih podlage.

Oprijem filma je v veliki meri odvisen od prisotnosti oksidne plasti, ki lahko nastane med postopkom nanašanja med filmom in substratom. Takšna oksidna plast nastane na primer med nanašanjem železa in nikroma, kar pojasnjuje dober oprijem teh filmov. Filmi iz zlata, ki ni podvrženo oksidaciji, imajo slabo oprijemljivost, zato je treba med zlatom in podlago ustvariti vmesno podplast materiala z visoko oprijemljivostjo. Zaželeno je, da je nastala oksidna plast koncentrirana med filmom in substratom. Če je oksid razpršen po celotnem filmu ali se nahaja na njegovi površini, se lahko lastnosti filma bistveno spremenijo. Na nastanek oksidov močno vpliva sestava ostankov plinov v delovni prostornini naprave in predvsem prisotnost vodne pare.

5. Tankoplastni upori

Materiali, uporabljeni pri izdelavi uporovnih filmov, morajo zagotavljati možnost pridobivanja širokega nabora časovno stabilnih uporov z nizkim temperaturnim koeficientom upora (TCR), imeti dobro oprijemljivost, visoko odpornost proti koroziji in odpornost na dolgotrajno izpostavljenost povišanim temperaturam. Ko se material nanese na podlago, morajo nastati tanke, jasne črte kompleksne konfiguracije z dobro ponovljivostjo vzorca od vzorca do vzorca.

Uporovne folije imajo najpogosteje drobnozrnato dispergirano strukturo. Prisotnost disperzije r, struktura filmov omogoča, da v prvem približku upoštevamo njihov električni upor kot skupni upor posameznih granul in pregrad med njimi, pri čemer narava celotnega upora določa velikost in znak TK .S. Tako na primer, če prevladuje upor samih zrn, je prevodnost filma kovinske narave in bo TCR pozitiven. Po drugi strani pa, če je upor posledica prehoda elektronov skozi reže med zrni (kar se običajno zgodi pri majhnih debelinah filma), bo prevodnost polprevodniške narave in bo zato TCR negativen.

Monolitna proizvodnja IC uporablja predvsem upore z visoko impedanco.Da bi bili upori čim manjši, morajo biti izdelani z enako ločljivostjo in toleranco kot drugi elementi IC. To izključuje uporabo prostih kovinskih mask za pridobitev zahtevane konfiguracije uporov in omogoča, da se izvede le s fotolitografijo.

Pri izdelavi mikro močnih monolitnih IC s kombinirano tehnologijo postane potrebno postaviti visokoodporne upore z uporom do nekaj megaohmov na relativno majhno površino kristala, kar je mogoče doseči le, če ima uporni material Rs (10--20) kOhm/ c. Postopek izdelave uporov mora biti združen z glavnim tehnološkim postopkom izdelave celotne silicijeve IC po planarni ali epitaksialno-planarni tehnologiji. Na primer, uporovne folije ne smejo biti občutljive na prisotnost silicijevega nitrida, fosforja, borosilikatnega stekla in drugih materialov, ki se uporabljajo pri izdelavi monolitnih IC na silicijevi rezini. Prenesti morajo razmeroma visoko temperaturo (500-550°C), ki nastane med postopkom tesnjenja IC, in v nekaterih primerih ne smejo spremeniti svojih lastnosti pod vplivom oksidacijskega okolja. Monolitni IC v glavnem uporabljajo nikrom in tanta za izdelavo uporov.

Pri izdelavi hibridnih IC se uporablja veliko širši nabor materialov za tankoslojne upore.

Kot filmi z nizkim uporom z Rs od 10 do 300 Ohm. Uporabljajo se folije iz kroma, nikroma in t-tala. Proizvodnja kromovih filmov s ponovljivimi elektrofizikalnimi lastnostmi je nekoliko zapletena zaradi njegove sposobnosti tvorbe spojin (zlasti oksidnih) pri interakciji s preostalimi plini med izhlapevanjem in nanašanjem. Upori na osnovi zlitine kroma in niklja (20% Cr in 80% Ni) imajo bistveno bolj stabilne lastnosti.Tantalovi filmi imajo zaradi prisotnosti različnih strukturnih modifikacij zelo širok razpon površinskih uporov (od nekaj Ohm/s do a-tantal na več MOhm/s za tantal z nizko gostoto Tantalov nitrid se uporablja tudi kot zelo stabilen uporovni material,

Znatno povečanje vrednosti uporov dosežemo z uporabo kovinsko-keramičnih filmov in filmov silicidov nekaterih kovin.V teh sistemih se kot kovina najpogosteje uporablja krom, oksidi, boridi, nitridi in silicidi prehodnih kovin ter oksidi nekaterih metaloidov, se uporabljajo kot dielektrik. Filmi iz kromovega disilicida, pa tudi filmi iz zlitine silicija, kroma in niklja imajo Rs do 5 kOhm/s; za filme, ki temeljijo na sistemi krom --- silicijev monoksid Rs se lahko glede na vsebnost kroma spreminja od enot do stotin ohmov/s.

6. Tankoplastni kondenzatorji

Tankoplastni kondenzatorji so kljub navidezni preprostosti troslojne strukture najbolj zapleteni in delovno intenzivni v primerjavi z drugimi filmskimi pasivnimi elementi.

Za razliko od uporov, blazinic in stikal, pri izdelavi katerih zadostuje nanos ene ali dveh plasti (podplast in plast), izdelava tankoslojnih kondenzatorjev zahteva nalaganje vsaj treh plasti: spodnje plošče, dielektrične folije in zgornja plošča (uporaba več plošč oteži proizvodni proces kondenzatorjev in poveča njihove stroške).

Material, ki se uporablja za izdelavo dielektričnih filmov, mora imeti dober oprijem na kovino, uporabljeno za kondenzatorske plošče, biti gost in ne biti podvržen mehanskemu uničenju, ko je izpostavljen temperaturnim ciklom, imeti visoko prebojno napetost in nizke dielektrične izgube, imeti visoko dielektričnost stalna in se ne razgradijo med postopkom izhlapevanja in usedanja ter imajo minimalno higroskopičnost.

Najpogostejši materiali, ki se uporabljajo kot dielektriki v filmskih kondenzatorjih, so silicijev monoksid (Si0) in germanijev monoksid (GeO). V zadnjih letih se v ta namen uporabljajo alumosilikatna, borosilikatna in antimonidogermanijeva stekla.

Najbolj obetavni dielektriki so kompozitne steklaste spojine, saj imajo sposobnost spreminjanja elektrofizikalnih, fizikalno-kemijskih in termodinamičnih lastnosti v širokem razponu z izbiro sestave stekla in izvajanjem značilnosti agregatnega stanja steklastih sistemov v tankoslojni kovini. -dielektrično-kovinske konstrukcije.

7. Filmi tantala in njegovih spojin

V zadnjih letih so filmi iz tantala in njegovih spojin postali vse bolj razširjeni pri izdelavi filmskih elementov integriranih vezij. Izbira tantala kot izhodnega materiala je v veliki meri razložena z dejstvom, da imajo lahko glede na pogoje pridobivanja tallalumovih filmov drugačno strukturo in v skladu s tem spreminjajo tako svojo upornost kot njegov temperaturni koeficient v širokih mejah.

Kar zadeva kristalno strukturo in električne lastnosti, so filmi b-tantala najbližji osnovnemu vzorcu; imajo grobo kristalno strukturo, osredotočeno na telo, in imajo relativno nizko upornost (20-40 μOhm-cm). Za razliko od k-tantala, p-tantala, ki ima tetragonalno fino kristalno strukturo in upornost 160-200 km Ohm * cm, ni mogoče najti v masivnih vzorcih. Ta metastabilna modifikacija tantala je značilna samo za tanke plasti.

Proizvodnja filmov b- in c- tantala se običajno izvaja s katodnim razprševanjem pri napetosti 4-5 kV in gostoti toka 0,1--1 mA/cm2. Če zmanjšate napetost in ne povečate tlaka argona, se bo tok praznjenja zmanjšal, kar bo povzročilo znatno zmanjšanje hitrosti nanašanja. Tako nastanejo filmi z nizko gostoto, ki imajo visoko porozno strukturo z velikostjo por (4--7)-10-3 µm, sestavljeno iz večjega števila zrn k- ali p-tantala z velikostjo kristalov (3--5 ) * 10-2 µm. Visoka poroznost filmov in videz sistema mešanice kovina-dielektrik povzročata nenormalno povečanje upornosti (približno 200-krat v primerjavi z b-tantalom) in spremembo njegovega temperaturnega koeficienta. Če argonu dodamo dušik v količini, ki znatno presega ozadje preostalih plinov, lahko dobimo filme tantalovega nitrida z dvema stabilnima stanjema Ta2N in TaN z različnimi kristalnimi strukturami in električnimi lastnostmi.

Prisotnost več modifikacij tantala (b- in b-tantal, tantal z nizko gostoto) in njegovega nitrida omogoča izbiro različnih topoloških rešitev pri načrtovanju pasivnega dela mikrovezij.

Čisti b-tantal zaradi visokih mehanskih napetosti v filmu in slabega oprijema na podlago ni našel široke uporabe pri izdelavi RC elementov mikrovezij; b-tantal se uporablja za izdelavo spodnjih plošč kondenzatorjev in delno za proizvodnjo uporov. Tantalov nitrid in tantal z nizko gostoto se uporabljata za izdelavo uporov. Praktična vrednost tantala z nizko gostoto je v zmožnosti pridobivanja zelo stabilnih tankoplastnih uporov (od 10 kOhm do nekaj megaohmov), ki so majhni in imajo preprosto konfiguracijo. Tankoplastne kondenzatorje je veliko lažje izdelati iz tantala z nizko gostoto, saj je v tem primeru zgornjo elektrodo in spodnjo mogoče dobiti z naprševanjem tantala, medtem ko se pri uporabi tantala normalne gostote poskuša pridobiti vrh elektrode na ta način pogosto povzroči poškodbo dielektrične plasti. Poleg tega tantal z nizko gostoto omogoča izdelavo RC vezij s porazdeljenimi parametri in nastavljivo vrednostjo upora, ki se lahko uporablja kot zgornja elektroda kondenzatorja.

Tantalov pentoksid (Ta2O5), pridobljen z elektrolitsko ali plazemsko anodizacijo, ima nizke dielektrične izgube in se lahko uporablja kot dielektrik za kondenzator ter kot izolator ali zaščitna plast za upor. Poleg tega lahko eloksiranje uporabite za natančno nastavitev vrednosti kondenzatorjev in uporov. Uporaba ionskega jedkanja, pa tudi topnost tantalovega nitrida, čistega tantala in njegovih oksidov v različnih jedkalnikih omogoča uporabo različnih metod za pridobitev zahtevane konfiguracije mikrovezij.

Tako je na osnovi tantala mogoče zagotoviti skupinsko proizvodnjo pasivnih elementov (upori, kondenzatorji, povezovalni vodniki in kontaktne ploščice) s koncentriranimi in porazdeljenimi parametri, ki po svoji kompleksnosti niso slabši od elementov, izdelanih na osnovi drugih materialov, a imajo hkrati bistveno večjo natančnost, stabilnost in zanesljivost. Vsestranskost tantala in odsotnost potrebe po uporabi drugih materialov kažeta, da je veliko večino pasivnih elementov IC mogoče izdelati na podlagi "tehnologije tantala".

Zaključek

Za sedanjo stopnjo razvoja integrirane elektronike so značilne težnje po nadaljnjem povečevanju delovnih frekvenc in skrajševanju preklopnih časov, povečevanju zanesljivosti ter zmanjševanju stroškov materiala in proizvodnega procesa IC.

Znižanje stroškov integriranih vezij zahteva razvoj kvalitativno novih principov njihove izdelave s postopki, ki temeljijo na podobnih fizikalnih in kemijskih pojavih, kar je po eni strani predpogoj za kasnejšo integracijo homogenih tehnoloških operacij proizvodnega cikla in po drugi strani pa odpira temeljne možnosti nadzora vseh operacij iz računalnika. Potrebo po kakovostnih spremembah v tehnologiji in tehnični prenovi industrije narekuje tudi prehod v naslednjo stopnjo razvoja mikroelektronike - funkcionalno elektroniko, ki temelji na optičnih, magnetnih, površinskih in plazemskih pojavih, faznih prehodih, elektronskih. -fononske interakcije, učinki kopičenja in prenosa naboja itd.

Merilo za "progresivnost" tehnološkega procesa, skupaj z izboljšanjem parametrov in lastnosti samega izdelka, je visoka ekonomska učinkovitost, ki jo določajo številni zasebni, medsebojno povezani kriteriji, ki zagotavljajo možnost gradnje sklopov popolnoma avtomatiziranih sistemov. , visoko zmogljiva oprema z dolgo življenjsko dobo.

Najpomembnejša posebna merila so:

univerzalnost, to je sposobnost izvajanja celotnega (ali velikega števila operacij) proizvodnega cikla z uporabo istih tehnoloških metod;

kontinuiteta, ki je predpogoj za kasnejšo integracijo (kombinacijo) številnih tehnoloških operacij proizvodnega cikla v kombinaciji z možnostjo uporabe hkratne skupinske obdelave velikega števila izdelkov ali polizdelkov;

visoka hitrost vseh glavnih operacij tehnološkega procesa ali možnost njihovega povečanja, na primer zaradi izpostavljenosti električnim in magnetnim poljem, laserskemu sevanju itd .;

ponovljivost parametrov pri vsaki operaciji in visok odstotek izkoristka tako polizdelkov kot ustreznih izdelkov;

izdelljivost zasnove izdelka ali polizdelka, ki ustreza zahtevam avtomatizirane proizvodnje (možnost avtomatskega nakladanja, baziranja, vgradnje, montaže ipd.), kar naj se odraža v preprostosti forme, pa tudi omejeno tolerance za splošne in osnovne mere;

formalizacija, to je možnost izdelave (na podlagi analitičnih odvisnosti parametrov izdelka od parametrov tehnološkega procesa) matematičnega opisa (algoritma) vsake tehnološke operacije in kasnejšega nadzora celotnega tehnološkega procesa z uporabo računalnika;

sposobnost dolgotrajnega obstoja v pogojih stalnega pojavljanja in razvoja novih konkurenčnih procesov ter sposobnost hitre obnove opreme za proizvodnjo novih vrst izdelkov brez znatnih kapitalskih stroškov.

Večino naštetih kriterijev zadoščajo procesi, ki uporabljajo elektronske in ionske pojave v vakuumu in redkih plinih, s pomočjo katerih je mogoče proizvesti:

ionsko naprševanje kovin, zlitin, dielektrikov in polprevodnikov za pridobivanje filmov različnih debelin in sestav, medsebojnih povezav, kapacitivnih struktur, medslojne izolacije, medslojnega ožičenja;

ionsko jedkanje kovin, zlitin, polprevodnikov in dielektrikov z namenom odstranitve posameznih lokaliziranih področij pri pridobivanju IC konfiguracije;

plazemsko eloksiranje za pridobivanje oksidnih filmov;

polimerizacija organskih filmov na območjih, obsevanih z elektroni, da dobimo organske izolacijske plasti;

čiščenje in poliranje površine substratov;

rast monokristalov;

izhlapevanje materialov (vključno z ognjevzdržnimi) in rekristalizacija filmov;

mikromletje filmov;

mikro varjenje in mikro spajkanje za povezovanje vodnikov IC, kot tudi tesnjenje ohišij;

brezkontaktne metode za spremljanje parametrov IC.

Skupnost fizikalnih in kemijskih pojavov, na katerih temeljijo našteti procesi, kaže na temeljno možnost njihove naknadne integracije z namenom ustvarjanja nove tehnološke osnove za visoko zmogljivo avtomatizirano proizvodnjo integriranih vezij in funkcionalnih elektronskih naprav.

Objavljeno na Allbest.ru

...

Podobni dokumenti

Kratko zgodovinsko ozadje razvoja integriranih vezij. Ameriški in sovjetski znanstveniki, ki so veliko prispevali k razvoju in nadaljnjemu razvoju integriranih vezij. Kupci in potrošniki prvih razvojev mikroelektronike in TS R12-2.

povzetek, dodan 26.01.2013

Ustvarjanje integriranih vezij in razvoj mikroelektronike po vsem svetu. Proizvodnja poceni elementov elektronske opreme. Glavne skupine integriranih vezij. Kilby je ustvaril prvo integrirano vezje. Prva polprevodniška integrirana vezja v ZSSR.

povzetek, dodan 22.01.2013

Kratke tehnične informacije o izdelku KR1095 PP1, namembnost vhodov in izhodov, postopek izdelave. Vloga povezovalne metalizacije pri izdelavi integriranih sistemov in odpovedi mehanizmov kot posledica elektromigracije. Razvoj magnetronskih sistemov.

diplomsko delo, dodano 25.05.2009

Topologija in elementi MOS tranzistorja s Schottky diodo. Zaporedje tehnoloških operacij njegove proizvodnje. Razvoj tehnološkega procesa za izdelavo polprevodniških integriranih vezij. Značilnosti uporabljenih materialov in reagentov.

tečajna naloga, dodana 12/06/2012

Princip delovanja polprevodniških diod, lastnosti p-n spojev, difuzija in tvorba blokirne plasti. Uporaba diod kot tokovnih usmernikov, lastnosti in uporaba tranzistorjev. Klasifikacija in tehnologija izdelave integriranih vezij.

predstavitev, dodana 29.05.2010

Strukturni problemi toplotnih pogojev kovinskih filmov brezpaketnih polprevodniških integriranih vezij: diagram segrevanja in izračun zanesljivosti idejnega projekta. Stopnja odpovedi zasnove in strukture metalizacijskega vodnika.

povzetek, dodan 13.06.2009

Elektrofizikalne lastnosti polprevodniških materialov, njihova uporaba za izdelavo polprevodniških naprav in naprav mikroelektronike. Osnove pasovne teorije trdnih teles. Energijski pasovi polprevodnikov. Fizikalne osnove nanoelektronike.

tečajna naloga, dodana 28.3.2016

Analiza tehnologije izdelave polprevodniških integriranih vezij - tovrstnih mikrovezij, katerih elementi so izdelani v skoraj površinski plasti polprevodniškega substrata. Značilnosti monokristalnega silicija. Gojenje monokristalov.

tečajna naloga, dodana 12/03/2010

Zanesljivost elektronskih komponent, tunelska okvara v njih in metode za njeno ugotavljanje. Zanesljivost metalizacije in kontaktov integriranih vezij, parametri njihove zanesljivosti. Mehanizem naključnih okvar diod in bipolarnih tranzistorjev integriranih vezij.

povzetek, dodan 10.12.2009

Planarizacija je nizkotemperaturni proces, pri katerem se gladi površinski relief plošče. Napake dvonivojske metalizacije. Namen prevodnih plasti pri večplastni metalizaciji. Veččipni moduli tipa MKM-D in MKM-A, značilnosti.