Реферат
КП: 36 стор., 8 рис., 4 таблиці, 10 джерел.
Об’єкт дослідження - процес виготовлення дифузійного діода.
Мета роботи - поглибити і розширити теоретичні знання, сформувати і розвинути навички розробки технологічних процесів виготовлення напівпровідникових приладів та інтегральних схем.
Методи дослідження - чисельні розрахунки за відомими, отриманими і спрощеними математичними формулами, що описують особливості дифузії, структури і роботи діода; використання теоретичних відомостей, що стосуються корпусів діодів; використання можливостей ЕОМ для визначення необхідних параметрів і залежностей.
Перша частина роботи присвячена напівпровідниковим приладам. В другій частині наведено розрахунки параметрів і характеристик приладу, і побудова прямої гілки ВАХ. В третій частині надано опис технологічного процесу створення приладу.
ФОТОЛІТОГРАФІЯ, ТЕХНОЛОГІЧНИЙ, ДІОД, РОЗПОДІЛ ДОМІШКИ,
МАРШРУТ, ВАХ P-N ПЕРЕХОДУ, ІНТЕГРАЛЬНА СХЕМА,
ВОЛЬТ-АМПЕРНА ХАРАКТЕРИСТИКА, ДИФУЗІЯ, ЗВОРОТНА ГІЛКА, ПРЯМА ГІЛКА.
Зміст
Перелік умовних позначень
Вступ
1. Теоретична частина
.1 Ідентифікація приладів
1.2 Види провідності
1.3 Електронно-дірковий перехід
1.4 Напівпровідниковий діод
1.5 Типи діодів
1.6 Транзистор
. Розрахунок дифузійного p-n переходу
2.1 Завдання та вихідні дані
.2 Визначення коефіцієнта дифузії
.3 Визначення глибини залягання p-n-переходу
.4 Визначення градієнта концентрацій
.5 Розрахунок ВАХ
.6 Розрахунок топології
. Технологічний процес
.1 Схема технологічного процесу
Висновки
Перелік посилань
Перелік умовних позначень
ВАХ - вольт-амперна характеристика;
ЕДП - електронно-дірковий перехід;
МОН - метал оксид напівпровідник;
НЗ - носії заряду;
ННЗ - неосновні носії заряду;
НП - напівпровідник;
ОНЗ - основні носії заряду.
Вступ
В основі роботи абсолютної більшості напівпровідниковим приладів лежать фізичні явища в електронно-дірковому переході. Електронно дірковий перехід (р-n - перехід) - це перехідний шар, що утворюється між двома областями напівпровідника з електропровідністю різного типу і має підвищений питомий опір. Для одержання електронно-діркових переходів у напівпровіднику утворюються області з електронною та дірковою провідністю за рахунок уведення донорних та акцепторних домішок.
Якщо концентрація донорної ND та акцепторної NА домішок при переході з однієї області в іншу змінюється стрибком, p-n - перехід називається різким або східчастим, а у випадку плавної зміни домішок - плавним.
Як правило, в напівпровідникових приладах використовуються несиметричні переходи, які характеризуються різною концентрацією домішок ND та NА. Відношення концентрації може досягати декількох порядків.
1. Теоретична частина
1.1 Ідентифікація приладів
Техніка напівпровідникових приладів стала самостійною областю електроніки. Заміна електронних ламп напівпровідниковими приладамиуспішно здійснена в багатьох радіотехнічних пристроях.
На всьому протязі розвитку радіотехніки широко застосовувалисякристалічні детектори, що представляють собою напівпровідниковівипрямлячі для струмів високої частоти. Для випрямлення постійногоструму електричної мережі використовують купроксние і селеновінапівпровідникові випрямлячі. Однак вони непридатні для високихчастот.
Ще в 1922 р. співробітник Нижегородської радіо лабораторії О.В. Лосєв отримав генерування електричних коливань за допомогоюкрістілліческого детектора і сконструював приймач "Крістадін", вякому за рахунок створення власних коливань виходило посиленняприйнятих сигналів. Він мав значно більшу чутливість,ніж звичайні приймачі з кристалічними детекторами. Відкриття
Лосєва, на жаль, не отримало належного розвитку в наступніроки. Напівпровідникові тріоди, що одержали назви транзисторів,запропонували в 1948 р. американські вчені Бардін, Браттейн і Шоклі.
У порівнянні з електронними лампами у напівпровідникових приладів є істотні переваги:
.Мала вага і малі розміри.
.Відсутність витрати енергії насяють.
.Великий термін служби (до десятків тисяч годин).
. Велика механічна міцність (стійкість до тремтіння, ударів і інших видів механічнихперевантажень).
5. Різні пристрої (випрямлячі, підсилювачі, генератори) з напівпровідниковими приладами мають високий ККД, тому що втрати енергії в самих приладах незначні.
6. Малопотужні пристрої з транзисторами можуть працювати при дуже низьких живлять напругах.
Разом з тим напівпровідникові прилади в даний час володіютьнаступними недоліками:
. Параметри і характеристики окремих екземплярів приладів даного типу мають значний розкид.
.Властивості приладів сильно залежать від температури.
. Робота напівпровідникових приладів різко погіршується під дією радіоактивного випромінювання. і т.д.
Транзистори можуть працювати майже у всіх пристроях, в якихзастосовуються
вакуумні лампи. В даний час транзистори успішнозастосовуються в підсилювачі,
приймальниках, передавачах, генераторах,вимірювальних приладах, імпульсних
схемах і в багатьох іншихпристроях.
1.2 Види
провідності
Напівпровідники являють собою речовини, які за своєю питомоюелектричної провідності займають середнє місце між провідниками тадіелектриками. У сучасних напівпровідникових приладах широковикористовується такі напівпровідники, як германій, кремній, селен,арсенід галію та ін
Для напівпровідників характерний негативний температурний коефіцієнтелектричного опору. При зростанні температуриопір напівпровідників зменшується, а не збільшується, як убільшості твердих провідників. Крім того, електричнеопір напівпровідників сильно залежить від кількості домішок унапівпровідників сильно залежить про таких зовнішніх впливів, як світло,електричне поле, іонізуюче випромінювання та ін
Принципи роботи напівпровідникових діодів і транзисторів пов'язані зтим, що в напівпровідниках існує електропровідність двох видів.
Так само, як і метали, напівпровідники мають
електронноїелектропровідність, яка обумовлена переміщенням
електронівпровідності. При звичайних робочих температурах в
напівпровідникахзавжди є електрони провідності, які дуже слабо пов'язані
зядрами атомів і здійснюють безладне тепловий рух міжатомами кристалічної
решітки. Ці електрони під дією різниціпотенціалів можуть отримати додаткове рух
в певномунапрямку, що і є електричним струмом. Напівпровідникиволодіють також
доречний електропровідністю, яка не спостерігається вметалах. Відсутність електрона
в атомі напівпровідника, тобто наявність уатомі позитивного заряду, назвали
діркою. Цим підкреслюють, що ватомі не вистачає одного електрона, тобто
утворювалося вільнемісце. Дірки ведуть як елементарні позитивні заряди.
1.3 Електронно-дірковий
перехід
Область на кордоні двох напівпровідників з різними типамиелектропровідності називається електронно-дірковий або р-n переходом.
Електронно-дірковий перехід має властивість несиметричноїпровідності, тобто являє собою нелінійне опір. Роботамайже всіх напівпровідникових приладів, які можна застосувати в радіоелектроніці,заснована на використанні властивостей одного або декількох pn переходів.
Нехай зовнішнє напруга відсутня Так як носіїзаряду в кожному напівпровіднику здійснюють безладне тепловерух, тобто мають деякі теплові швидкості, то і відбувається їхдифузія (проникнення) з одного напівпровідника в інший. Як і вбудь-якому іншому випадку дифузії, на приклад, що спостерігається в газах ірідинах, носії переміщуються звідти, де їх концентрація велика,туди, де їхня концентрація мала. Таким чином, з напівпровідника n -типу в напівпровідник p-типу дифундують електрони, а у зворотномунапрямку з напівпровідника p-типу в напівпровідник n-типудифундують дірки. Це дифузійне переміщення носіїв показано намалюнку 1 суцільними стрілками. В результаті дифузії носіїв по обидвабоки кордону розділу двох провідників з різним типомелектропровідності створюються об'ємні заряди різних знаків. Уобласті n виникає позитивний об'ємний заряд. Він утворенийпозитивно зарядженими атомами донорно домішки та пройшли в цюобласть дірками. Подібно до цього в області p виникає негативнийоб'ємний заряд, утворений негативно зарядженими атомамиакцепторній домішки і прийшли сюди електронами. На рісунке1 дляспрощення носії та атоми домішок показані тільки в областіпереходу.
Тим утворилися об'ємними зарядами виникають так званаконтактна різниця потенціалів U = іелектричне поле. Напрям вектора напруженості цього поля Епоказано на рісунке1.Перемещеніе неосновних носіїв зарядів піддію поля, зване дрейфом носіїв. Кожну секунду черезкордон у протилежні напрямки дифундує певнийкількість електронів і дірок, а під дією поля таке ж їхкількість дрейфує у зворотному напрямку.
Переміщення носіїв за рахунок дифузії називають дифузним струмом, арух
носіїв під дією поля являє собою токпровідності. У сталому режимі, тобто при
динамічномурівновазі переходу, ці струми протилежні за напрямком. Томуповний
струм через перехід дорівнює нулю, що і повинно бути за відсутностізовнішньої
напруги.
1.4 Напівпровідниковий діод
Нелінійні властивості діода видно при розгляді його вольтамперноїхарактеристики. Приклад такої характеристики для діода невеликепотужності даний на рис.2. Вона показує що прямої струм у десяткиміліампер виходить при прямому напрузі порядку десятих частоквольта. Тому пряме опір має величину не вище десятківму. Для більш потужних діодів прямий струм становить сотніміліампер і більше при такому ж малому напрузі, а R відповіднознижується до одиниць му і менше.
Ділянка характеристики для зворотного струму, малого в порівнянні зпрямим струмом, зазвичай показують в іншому масштабі, що і зроблено намалюнку вище. Зворотний струм при зворотному напрузі до сотень вольт удіодів невеликої потужності складає лише одиниці або десяткимікроампер. Це відповідає зворотного опору до сотень кілоом більше.
Напівпровідникові діоди підрозділяються за багатьма ознаками. Першза все слід розрізняти точкові, площинні і полікристалічнідіоди. У точкових діодів лінійні розміри, що визначають площу pnпереходу, такого ж порядку як товщина переходу, або менше її. Уплощинних діодів ці розміри значно більше товщини переходу.
Точкові діоди мають малу ємність pn переходу і томузастосовуються на будь-яких частотах аж до СВЧ. Але вони можуть пропускатиструми не більше одиниць або декількох десятків міліампер. Площиннідіоди залежно від площі переходу володіють ємністю в десяткипікофарад і більше. Тому їх застосовують на частотах не більше десятківкілогерців. Допустимий струм в площинних діодах буває від десятківміліампер до сотень ампер і більше.
Основою точкових і площинних діодів є пластинкинапівпровідника, вирізані з монокристалу, що має у всьому своємуобсязі правильне кристалічну будову. В якостінапівпровідникових речовин для точкових і площинних діодів застосовуютьнайчастіше германій та кремній, а останнім часом також і арсенідгалію і карбід кремнію. Полікристалічні діоди мають pn перехід, утворенийнапівпровідниковими шарами, що складаються з великої кількостікристалів малого розміру, по-різному орієнтованих один щодоодного і тому не представляють собою єдиного монокристала.
Цідіоди бувають селенових, меднозакісние (купроксние) і титанові.
Принцип пристрої точкового діода показано на малюнку 3 (а). У ньомутонка загострена зволікання (голка) з нанесеною на неї домішкоюприварюється за допомогою імпульсу струму до пластинки напівпровідника зпевним типом електоропроводності. При цьому з голки в основнийнапівпровідник дифундують домішки які створюють в ньому область зіншим типом провідності. Це процес наз. формуванням діода. Такимчином, близько голки виходить міні pn перехід напівсферичної форми.
Отже, принципової різниці між точковими і площиннимидіодами немає. Останнім часом з'явилися ще так звані мікроплощинні або мікросплавние діоди, які мають дещо більший по площині pnперехід, ніж точкові діоди. Площинні діоди виготовляються, головним чином, методамисплавки дифузії. Для прикладу на малюнку 4.а) показаний принциппристрої сплавним германієвих діода. До платівки германію n-типувплавляє при температурі близько 500 градусів краплю індія, якасплавляючись з германієм, утворює шар германію p-типу.
Область з електропровідність p-типу має більш високу концентраціюдомішки, нежлі основна пластинка порівняно високоомного германію,і тому є емітером. До основної платівці германію та до Індіїприпаюються вивідні зволікання, звичайно з нікелю. Якщо за вихіднийматеріал взято високоомний германій p-типу, то в нього вплавляє сурмуі тоді виходить емітерная область n-типу.
Слід зазначити, що сплавним методом отримують так званірізкі або ступінчасті pn переходи, в яких товщина областізміни концентрації домішок значно менше товщини областіоб'ємних зарядів, що існують у переході.
1.5 Типи
діодів
За призначенням напівпровідникові діоди підрозділяються навипрямляючі діоди малої, середньої та великої потужності, імпульснідіоди і напівпровідникові стабілітрони.
Випрямні діоди малої потужності: до них відносяться діоди,поставляються промисловістю на прямий струм до 300мА. Довідковіпараметром випрямних діодів малої потужності є допустимийвипрямних струм (допустимої середнє значення прямого струму), якийвизначає в заданому діапазоні температур допустиме середнє заперіод значення довгостроково протікають через діод імпульсів прямогоструму синусоїдальної форми при паузах у 180 (напівперіод) і частоті 50
Гц. Максимальне зворотне напруги цих діодів лежить в діапазоні віддесятків до 1200В.
Випрямні діоди середньої потужності: до цього типу відносяться діоди,допустиме середнє значення прямого струму яких лежить в межах
мА-10мА. Великий прямий струм цих порівняно з малопотужними діодамидосягається збільшенням розмірів кристала, зокрема робочоїплощі p-n переходу. Діоди середньої потужності випускаютьсяпереважно кремнієвими. У зв'язку з цим зворотний струм цих діодівпри порівняно великій площині pn переходу доситьмалий (кілька десятків мікроампер). Теплота, що виділяється в кристалі відпротікання прямого і зворотного струмів в діодах середньої потужності, вже неможе бути розсіяна корпусом приладу.
Потужні (силові) діоди. До даного типу відносяться діоди на струми від
10Аі вище. Промисловість випускає силові діоди на струми 10,16,25,40 іт.д. і
зворотні напруги до3500 В. Силові діоди мають градацію зачастоті охоплюють
частотний діапазон до десятків кілогерців.Потужні діоди виготовляють переважно
з кремнію. Кремнієвапластинка з pn переходом, створюваним дифузним методом, для
такихдіодів являє собою диск діаметром 10-100мм і товщиною 0,3-0,6мм.
1.6 Транзистор
Транзистор, або напівпровідниковий тріод, будучи керованимелементом, знайшов широке застосування в схемах посилення, а також уімпульсних схемах. Відсутність напруження, малі габарити і вартість,висока надійність-такі переваги, завдяки яким транзисторвитіснив з більшості областей техніки електронний лампи.