Гибридные интегральные микросхемы (гис)
ГИС делятся на:
1.Толстопленочные
2.Тонкопленочные
Толстопленочные интегральные микросхемы изготавливаются следующим образом:
На диэлектрическую пластинку(подложку) довольно большой площади(несколько сантиметров квадратных) наносят пасты различного состава. Паста – частицы и связующая жидкость. Характерная особенность этого метода в том, что пленка сразу приобретает заданную толщину.
Проводящие пасты обеспечивает межсоединение элементов, обкладки конденсаторов и выводы к штырькам корпуса.
Резистивные – служат для получения резисторов
Диэлектрические – служат для изоляции между обкладками конденсаторов и для общей защиты поверхности ГИС.
Каждый слой должен иметь свою конфигурацию(рисунок) поэтому при изготовлении каждого слоя пасту наносят через свою маску(трафарет), который имеет отверстия в тех местах куда должна попасть паста данного слоя.
Можно выделить следующие особенности характеристик паст:
Механический способ нанесения паст не позволяет делать толщину пленок менее 10-20 микрон, обычно используется толщина порядка 50 микрон. От сюда и название толстопленочная технология или толстопленочные ИМС.
Простота технологии, которая обеспечивает доступность получения ИМС на любых предприятиях.
Механический способ нанесения пленок(слоев) не может обеспечить достаточно малых размеров и допусков на номиналы резисторов и конденсаторов, т.е. прецезионность (точность) параметров элементов.
Тонкопленочные гибридные интегральные микросхемы
Эта схема изготавливается по более сложной технологии чем толстопленочная интегральная микросхема, для чего используется также специфическое оборудование.
Классическая тонкопленочная технология характерна тем, что пленки осаждаются на подложку из газовой фазы. При этом пленки приобретают свою конечную толщину не сразу, а постепенно. Один слой за другим.
Связь атомов в кристаллической структуре кремния обусловлена специфическими обменными силами, возникающими в результате попарного объединения валентных электронов и смежных атомов. Такая связь, при которой каждый атом является нейтральным называется – ковалентной.
Регулярность структуры кристалла приводит к зависимости его свойств от направления в кристаллической решетке, т.е. анизотропии. Оценивать направление, т.е. ориентироваться в кристаллической решетке принято с помощью кристаллографических осей и перпендикулярным им кристаллографических плоскостей, эти оси и плоскости обозначают трехзначными индексами Миллера.
Искажения кристаллической решетки (кристаллического твердого тела).
Структура кристалла никогда не бывает идеальной, не в объеме, не тем более на поверхности, всегда имеются дефекты решетки и дислокации
Всегда в кристаллическом твердом теле имеются дефекты решетки или дислокации.
Дефекты решетки могут иметь вид пустого узла (дефекты по Шоттки) или совокупности пустого узла и междоузельного атома (дефекты по Френкелю). Эти дефекты называются точечными дефектами. Их образование неизбежно и растет с температурой.
В качестве дефектов кристаллической структуры являются дислокации, которые представляют собой смещение плоскостей кристаллической решетки. Они бывают:
1. линейные
2. винтовые
Все дефекты, возникающие в твердом теле, вызывают изменение параметров твердого тела и как результат изменение электрических параметров интегральных схем, т.е. в целом электронного устройства.
Помимо дислокаций в полупроводнике имеет место микроскопические дефекты: микропоры и микротрещены, все эти дислокации вызывают брак электронного устройства.
У атомов расположенных на поверхности кристалла часть ковалентных связей неизбежно нарушается, из-за отсутствия соседей(соседних атомов) по другую сторону границы раздела. Количество нарушений, т.е. нарушенных связей зависят от кристаллографической ориентации поверхности.
Например для кремния плоскости (1:1:1) # оказывается оборвана одна из четырех связей, а в плоскости (1:0:0) – 2 связи.
Аморфная структура.
Помимо поликристаллических твердых тел существуют аморфные, т.е. совершенно однородные, бесструктурные твердые тела. Характерная особенность аморфных тел – отсутствие однозначной температуры плавления. Переход от жидкого состояния к твердому состоянию осуществляется плавно и сопровождается постепенным увеличением вязкости. Типичными представителями аморфных тел в полупроводниковой технологии являются разного рода стекла, в том числе и обычное стекло основу которого составляет двуокись кремния SO2.
Дырка ведет себя подобно частицы с положительным элементарным зарядом.
Нарушение ковалентных связей, и генерация пар – электрон-дырка, могут происходить не только под действием фононов, т.е. в результате нагрева кристалла, но и под действием других видов энергии. (например под действием света, рентгеновского излучения, гамма лучей и т.д.) Специфика этих факторов по сравнению с нагревом состоит в том, что их действие носит локальный характер. Оно ограничено по глубине, проникающей способностью, а по певерхности – площадью пучка. Облучение полупроводника эквивалентно его локальному нагреву в отсутствии теплопроводности.
Если площадь пучка превышает размеры кристалла и кристалл достаточно тонкий, т.е. прозрачный для излучения, то результат облучения по существу такой же, как и при нагреве. В полупроводниках имеются 2 типа свободных носителей. Электроны и дырки. Причем в собственном полупроводнике их количество всегда одинаково. Проводимость собственного полупроводника обусловленную парными носителями называют – собственной проводимостью. Проводимость обусловленную наличием приместных атомов вместо собственных атомов называется - присесной проводимостью. Примеси характерные для кремния являются примесями замещения, а результат замещения зависит от валентности примесных атомов.
Если ввести в кремний атом 5-ти валентного элемента, например фосфора, сурьмы, мышьяка и т.д. то 4 из 5 валентных электронов этого элемента вступят в связь с 4-мя электронами соседних атомов кремния и образуют устойчивую оболочку из 8-им электронов. 9-ый электрон в этой комбинации свободный. (в этой комбинации оказывается слабосвязанный с ядром 5-ти валентного элемента. Он легко отрывается ононами и делается свободным .
Твердое тело представляет собой множество атомов, сильно взаимодействующих друг с другом, благодаря малым межатомным расстояниям. Поэтому вместо совокупности дискретных энергетических уровней, свойственных отдельному атому. Твердое тело характеризуется совокупностью энергетических зон. Каждая зона происходит от соответствующего уровня, который как бы расщепляется при сближении атомов. В результате кристалл с межатомным расстоянием D, характеризуется определенной зонной диаграммой. В которой разрешенные зоны чередуются с запрещенными зонами. Верхняя разрешенная зона (на которой не находятся электроны) называется зоной проводимости, а расположенная непосредственно под ней и за полненная электронами называется валентной зоной. При нулевой абсолютной температуре валентная зона всегда полностью заполнена электронами, тогда как зона проводимости либо заполнена точно к нижней части либо полностью пуста.
Первый случай свойственен металлам (когда частично зона проводимости заполнена)
Второй случай проводникам и диэлектрикам.
Отличие диэлектриков от полупроводников состоит главным образом в значительно большей ширине запрещенной зоны.
Запрещенная зона – зона в которой не могут находиться электроны, т.е. электроны имеющие энергию соответствующую этой запрещенной зоне. Как видим у примесных полупроводников зонные диаграммы иные. Донорные и акцепторные примеси вводимые в собственный полупроводник характерны тем, что их энергетические уровни расположены в запрещенной зоне полупроводника причем уровни доноров близки к дну зоны проводимости. А уровни акцепторов к потолку валентной зоны. Следует также подчеркнуть, что примесные уровни не сливаются в зоны (не образуют зоны) поскольку концентрация примесей обычно мала, а значит расстояние между примесными атомами настолько велико что взаимодействие этих атомов необходимое для образования зон практически отсутствует. Донорные и акцепторные уровни – называют мелкими. Имея ввиду их малые расстояния от соответствующих разрешенных зон. Однако ряд примесей в полупроводнике имеют глубокие уровни расположенные в близи середины запрещенной зоны, при больших концентрациях примесей, примесные уровни расщепляются и образуют примесную зону. Обычно эта зона сливается с ближайшей разрешенной зоной полупроводника. Получившаяся объединенная зона не полностью заполнена электронами, что соответствует структуре металла. Поэтому сильнолегированные полупроводники, называют вырожденными или полуметаллами. Примеси которые дают глубокие уровни не являются ни донарами ни акцепторами, но они играют важную роль в работе электронных устройств.
Учитывая плотность уровней, концентрацию электронов можно посчитать по формуле …
Произведение концентраций электронов в полупроводнике на концентрацию дырок этого полупроводника равна квадрату собственной концентрации полупроводника. Электропроводность можно выразить по формуле…
Поскольку в полупроводниках 2 типа подвижных носителей то удельная проводимость складывается из 2 составляющих (электронной и дырочной)
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
Электронно-дырочный переход.
Комбинация двух полупроводниковых слоев с разным типом проводимости обладает выпрямляющими или вентильными. Она гораздо лучше пропускает ток в одном направлении чем в другом. Полярность напряжения соответствующая большим токам называется - прямой. А меньшим токам – обратной. Обычно пользуются терминами прямое и обратное напряжение(ток).
Выпрямительные свойства рассматриваемой структуры позволяют использовать её в качестве полупроводникового диода.
При стыковке 2 полупроводников различного типа проводимости, поскольку концентрация электронов в n-слое значительно больше чем слое р, то часть электронов которые находятся на границе диффундируют из слоя полупроводника n-типа в слой полупроводника р-типа. При этом в слое р, в близи стыковки двух полупроводников то есть на металлургической границе окажутся избыточные электроны. Эти электроны будут рекомбиноровать с дырками до тех пор пока не будет выполнено условие равновесия. Соответственно концентрация дырок этой области уменьшится и обнажаться некомпенсированные отрицательные заряды акцепторных атомов. Слева от металлургической границы обнажаться не сконденсированные положительные заряды донорных атомов, от которых ушли электроны. Аналогичные рассуждения можно провести для дырок которые диффундируют из слоя p в слой n.
По соотношению концентраций примесей в p и n слоях переходы делят:
Симметричные (характерны условием когда Nd = Na, где Nd Na – концентрации примесей в соответствующих слоях. Симметричные переходы не типичны для полупроводниковой техники.
Не симметричные (Главное распространение имеют не симметричные переходы, у которых концентрация Nd, Na не одинаковы)
Односторонние (В случаи когда концентрации примесей различаются на 1-2 порядка и более переходы называются односторонними и обозначают n+ p P+n, где верхний индекс + соответствует слою со значительно большей концентрацией)
Биполярный транзистор представляет собой – совокупность двух встречно включенных взаимодействующих p-n переходов. Взаимодействие переходов обеспечивается тем что они расположены достаточно близко друг от друга, на расстоянии меньшем, чем диффузионная длина носителей. У реальных транзисторов площади обоих переходов существенно различаются. Эти различия представлены на рисунке.