Title: IX 8 7:40 (1 of 7)

Transkript

1 P N (PN) PŘECHOD P N přechod lze realizovat pouze z POLOVODIČŮ. Jedná se o materiál, který musí mít dokonalý krystal bez příměsí a nečistot (čistota musí být lepší než 99,9999 %). Czochralského metoda tvorby monokrystalu: Podívejme se nejprve na to, jakým způsobem získáváme výchozí materiál pro výrobu polovodičových součástek čistý monokrystalický křemík. Čistota materiálu je také jedním ze základních požadavků na materiál pro výrobu polovodičových součástek. Uvědomíme li si, že intrinsický materiál, tj. materiál bez příměsí, obsahuje jeden pár elektron díra na zhruba 10 9 atomů, pak nečistota, tj. koncentrace příměsí, řádu 10 9 zvýší koncentraci nosičů náboje dvakrát. Běžná čistota tzv. spektrálně čistých plynů, se měří v jednotkách ppm (particle per milion), tj. v jednotkách Jediná jednotka ppm by tedy zvýšila koncentraci nosičů, a tedy i vodivost polovodičového materiálu, tisíckrát. Jinak řečeno, v polovodičovém průmyslu, dnes braném jako zcela běžnou součást našeho života, se jedná o čistoty zhruba tisíckrát lepší, než bylo běžné v dřívější praxi. Je zřejmé, že elektrická vodivost je velmi dobrým indikátorem čistoty, a že zájem o polovodičový materiál byl příčinou intenzívní snahy o vyřešení problému purifikace materiálu. Představme si tedy, že máme vyrobit z purifikovaného křemíku ve formě drobných zrn monokrystalický materiál vhodný pro planární technologii. Metoda výroby tohoto materiálu (ingotu) je znázorněna na obrázku 4.1 a byla nazvána Czochralského (čti čochralského) metodou. Je to metoda pomalého tažení monokrystalického ingotu z taveniny výchozího materiálu, tedy křemíku. Křemík je umístěn v grafitové válcové nádobce v nádobě z křemenného skla. Křemenné sklo je voleno ze dvou důvodů; jednak vydrží velmi vysokou teplotu, jednak jsou v něm malé dielektrické ztráty. Válcová nádobka, ve které je křemík umístěn, je ohřívána na potřebnou teplotu pomocí tzv. indukčního ohřevu. K takovému ohřevu potřebujeme výkonový vysokofrekvenční generátor, s frekvencí typicky 500 khz a výkonem několika kw. Energii z generátoru pak vedeme přes obvod přizpůsobující impedanci generátoru impedanci zátěže (vzpomeňte si například z úvodu; výkon dodaný ze zdroje do zátěže je maximální, má li zátěž odpor stejný jako je vnitřní odpor zdroje; tento závěr se dá zobecnit na obecnou impedanci tak, že výkon do zátěže je maximální, jsou li reálné složky vnitřní impedance zdroje a zátěže stejné a imaginární složky impedance zdroje a zátěže mají opačné znaménko) na primární vinutí vysokofrekvenčního transformátoru, které je navinuto zvnějšku válcové křemenné nádoby. Sekundár tohoto transformátoru tvoří grafitová nádobka, ve které je křemík umístěn. Při správném přizpůsobení dostaneme tak značnou část výkonu generátoru do tohoto sekundárního závitu (dielektrické ztráty v křemenném skle jsou malé, takže sklo se energií z generátoru přímo neohřívá; ohřívá se však radiací od grafitové nádobky) a to má za následek, že nádobku ohřejeme na teplotu potřebnou k roztavení křemíku. Vzhledem k tomu, že proces probíhá v inertní atmosféře, křemík se neoxiduje a je možné s ním pracovat ve stavu taveniny. Shora do nádobky s křemíkem zasahuje osa, na jejímž dolním konci je umístěn tzv. zárodečný krystal. Je to kus monokrystalického materiálu válcového tvaru s takovým průměrem, který chceme vyrábět. Konec zárodečného krystalu se nejprve ponoří do taveniny a pak se za pomalého otáčení z taveniny vytahuje. Výsledkem této činnosti je ingot křemíku válcovitého tvaru, ve kterém je relativně málo poruch krystalové mříže. Title: IX 8 7:40 (1 of 7)

2 Růst monokrystalu je počáteční operací. Vstupní polykrystalický křemík s přídavkem malého množství dopantu, který určuje elektrické vlastnosti výsledného produktu, je roztaven v křemenném kelímku a do taveniny je ponořen monokrystalický zárodek. Regulací rychlosti tažení, teploty taveniny, otáček a řady dalších technologických parametrů se docílí toho, že atomy křemíku se postupně zabudovávají do přesně definovaných poloh v krystalové mřížce a tvoří monokrystal o požadovaném průměru a vlastnostech. Hodnocení parametrů se provádí po odřezání začátku a konce krystalu na kontrolních deskách. Části krystalu splňující specifikaci se obrousí na požadovaný průměr. Řezání monokrystalu je další operací, při níž se krystal rozčlení na jednotlivé desky, a to buď technologií řezání na pilách s vnitřním diamantovým bortem nebo tzv drátových řezačkách, kde se zpracovává celý díl krystalu najednou. Zaoblování ostrých hran desek po nařezání zabraňuje vzniku výštipků a lomů při následných operacích. Profilování okraje se děje pomocí diamantového kotoučku s drážkou požadovaného tvaru. Oboustranné lapování pomocí jemné suspenze kysličníku hlinitého odstraňuje z povrchu desek větší část narušení z řezání a zlepšuje geometrické parametry jako jsou planparalelita a rovinnost. Title: IX 17 12:06 (2 of 7)

3 Leptání ve směsi kyselin odstraňuje zbytkové narušení po lapování. Úpravy zadní strany desek se provádějí na většině produkce Si desek. Dle požadavků zákazníků na jednotlivé produkty se jedná o: depozice polykrystalického křemíku na zadní stranu nebo narušení zadní strany desek pískováním za účelem zvýšení getrační schopnosti desek depozice vrstvy oxidu křemičitého na zadní stranu jako prevence autodopingu během nanášení epitaxní vrstvy Leštění je kombinací chemických a mechanických procesů, které dávají přední straně desek zrcadlově lesklý povrch v kvalitě potřebné pro současnou výrobu polovodičových součástek. Poté desky procházejí sérií chemických a mechanických čistících kroků, při nichž se ostraňují zbytky leštící suspenze, stopové kontaminace i prachové částice. Část leštěných desek je po vizuální kontrole zabalena a distribuována přímo zákazníkům, část pokračuje na operaci epitaxe. Epitaxní vrstva je velmi tenká vrstva rovněž monokrystalického křemíku, která se deponuje na základní monokrystalickou desku. Jedná se o ultračistou vrstvu z pohledu nečistot s velmi přesným obsahem elektricky aktivního dopantu. Title: IX 17 12:10 (3 of 7)

4 Vytahováním ingotu z taveniny ubíráme ovšem materiál z grafitové nádobky, proto jej musíme přidávat; jeden z možných způsobů je přidávání materiálu do taveniny ve formě zrníček, pelet. Průměr monokrystalického ingotu rostl v průběhu vývoje s tím, jak se zlepšovalo know how této metody; od cca jednoho centimetru v počátcích polovodičové éry až po dnešní ingoty s průměrem okolo centimetrů. Je zřejmé, že během výroby těchto monokrystalických ingotů je možné do taveniny přidávat definované množství žádoucích příměsí, takže vytvořený monokrystalický materiál pak bude typu P nebo N. Takto připravený materiál je ingot válcovitého tvaru a je tedy nutné z něj připravit destičky tenké cca 0,2 mm, které jsou potřeba pro vlastní výrobu polovodičových prvků. Ty se dostanou rozřezáním válcového ingotu v rovině kolmé na jeho osu pomocí tzv. diamantové pily, což je okružní pila s listem ve tvaru tenké kruhové ocelové folie, na které je z obou stran přitmelen diamantový prášek. Pak následuje leštění povrchu těchto křemíkových kotoučků (zvaných salámky, neboť vypadají jako na plátky nakrájený salám) na takovou rovinnost, aby případné nerovnosti povrchu byly srovnatelné s vlnovou délkou viditelného světla. Tento proces je běžný z optického průmyslu a tedy nevyžaduje podrobnějšího popisu; leští se mechanicky pomocí brusných past s postupně menšími a menšími zrny až povrch křemíkové destičky připomíná dobré opticky přesné zrcadlo. P N přechod vzniká dotací pětimocných a třímocných prvků. Křemík je čtyřmocný pokud přidáme pětimocný prvek, přebyde elektron vzniká polovodič s vodivostí N elektronovou vodivostí. Pětimocné příměsi se nazývají donory dárci. Title: IX 8 7:27 (4 of 7)

5 DIODY Polovodičové prvky, obsahují jeden přechod P N. + A K IF UR[V] Uf, If propustný směr Ur,Ir závěrný směr IR IRmax UF [V] P N Druhy diod: usměrňovací LED diody fotodiody tunelové (Esakiho) diody Zenerovy diody Schottkyho diody kapacitní diody (varikapy, varaktory) Usměrňovací diody: slouží k usměrnění střídavého proudu či napětí průmyslových kmitočtů (50 Hz, 400 Hz, 800 Hz; spínané zdroje až 16 khz). Musí být dostatečně proudově a napěťově dimenzované, nemusí být rychlé mohou mít libovolnou kapacitu přechodu. Materiál křemík (Si), výjímečně germanium (Ge) menší napětí v propustném směru (cca 0,3 V proti 0,7 V Si), mají ale větší závěrný proud. LED diody: jsou to "svítící" diody. Světlo nevzniká jako u žárovky teplem, ale rekombinací nosičů náboje, kdy se uvolňuje foton a fonon. Vlnovou délku neurčuje světelný filtr, ale materiál. Vlnová délka je přesná, nevzniká spektrum světelného záření. Materiálem jsou tzv. intermetalické slitiny GaAs, GaP, GaInP,... Běžná závěrná napětí Ur jsou kolem 10 V, propustná Uf jsou kolem 2 3 V, proudy kolem ma. Bodové, rozptylky (podle pouzdra), laserové diody mají skleněnou čočku k dosažení koherence paprsku. Barvy: červená, zelená, oranžová, modrá, žlutá, bílá, IR. Fotodiody: na rozdíl od LED diod při dopadu světla generují napětí. Materiál nejčastěji Si. Nebo také mění vlastnosti propustnost v propustném směru. Tunelové diody: vyrábí se z dotovaného Ge nebo GaAs. Proti obyčejné diodě má V A charakteristiku jinou. Tunelová (Esakiho) dioda je dioda využívající tunelový jev v propustném směru který je vyvolaný stavem degenerace zvyšováním koncentrací při kterém Fermiho energetické hladiny přecházejí až do valenčního, respektive vodivostního pásu. Title: XII 21 7:57 (5 of 7)

6 If Ip Iv Pp Pv Ur [V] Up ~ 0,1 V 0,3 Uv ~ 0,27 V Uf [V] Ir Dioda vede přímo úměrně se zvyšováním anodového napětí do bodu Ip. Potom se zvyšováním napětí proud klesá až do Iv. Potom se V A charakteristika rovná normální diodě. Stabilizační (Zenerovy) diody: využívají tunelového nebo lavinového průrazu v závěrném směru. Dynamický odpor závisí na stabilizovaném napětí. Teplotní koeficient u tunelového průrazu je záporný (snižuje se šířka zakázaného pásma), u lavinového průrazu kladný (zmenšuje se počet nosičů). Teplotní koeficient může být nulový mezi oběma typy průrazů. Při přechodu lavinový průraz šum šumové diody, při vyšším napětí klesá. If Ur [V] Výkonové omezení Ir Ir max Uf [V] Nejedná se o destruktivní průraz, nýbrž o nedestruktivní lavinov ý. Zenerovy diody jsou navrhovány a konstruovány tak, aby závěrná část VA charakteristiky měla ostře vyjádřené průrazné napětí U R(BR). Pracovní oblast těchto diod leží v oblasti elektrického nedestruktivního průrazu, kdy se při velkých změnách proudu mění hodnota Zenerova napětí U Z jen velmi málo. S ohledem na skutečnost, že vodivost polovodičů je silně závislá na teplotě, zahrnujeme její vliv na chování součástek pomocí teplotního součinitele, definovaného vztahem KZ = ΔU / Δθ 100 / U [%; K 1]. Teplotní součinitel pro oblast závěrných napětí může být jak kladný, tak záporný, resp. roven nule. Lze zhruba říci, že tam, kde převládá Zenerův mechanismus průrazu, tj. pro U Z < 6 V je KZ < 0. Pracovní oblastí Zenerových diod rozumíme VA charakteristiku v závěrném směru. Z průběhu VA charakteristiky Zenerovy diody je zřejmé, že diferenciální odpor v její pracovní oblasti je velmi malý. Zenerova dioda je křemíková plošná dioda se slitinovým nebo difuzním přechodem, jejíž závěrná část charakteristiky se vyznačuje ostrým zlomem při Zenerově napětí. Charakteristika v přímém směru je shodná s charakteristikou běžné polovodičové diody. Prahové napětí je 0,70 až 0,72 V. Pracovní oblast leží v oblasti elektrického nedestruktivního průrazu, nesmí však překročit maximální ztrátový výkon PZ. Zenerův jev se uplatňuje pouze na velmi tenkých přechodech, příslušné napětí diod je do 6 V. Title: IX 13 7:29 (6 of 7)

7 Kapacitní diody Varikapy Provozní napětí je omezeno z jedné strany malým napětím v přímém směru a z druhé strany průrazným napětím přechodu. Rozsah pracovních napětí bývá od 1 V do 30 V. Těmto hodnotám odpovídá rozsah kapacit od 20 až 100 pf do 2,5 až 10 pf. Poměr maximální a minimální kapacity se pohybuje v rozmezí 2,5 až 6, u speciálních až 20. Pro výrobu se používá nejčastěji křemík, pro vysokofrekvenční varikapy Ge nebo GaAs. Varikap mění hodnotu kapacity v závislosti na ss. napětí. Přiváděné amplitudy vf. signálu jsou relativně malé, takže změna kapacity je prakticky lineární. Používají se místo ladících kondenzátorů v rozhlasových a televizních přijímačích a lze je zapojovat v oscilátorech pro dolaďování. Varaktory Varaktory pracují s velkým signálem, takže dochází k velké změně kapacity. Vzhledem k nelinearitě vznikají vyšší harmonické složky. Stejnosměrné předpětí se zpravidla nepřivádí. Vyrábějí se i planárněepitaxní technologií. Rozsah kmitočtů 30 MHz až 10 GHz. V současné době se užívají pro parametrické zesilovače, násobiče kmitočtu, pro ladění Gunnových a tranzistorových oscilátorů. Varaktor musí mít malý tepelný odpor. Varaktor lze provozovat i jako varikap (obráceně to neplatí). Schottkyho dioda Schottkyho dioda je součástka, která využívá usměrňovací vlastnost přechodu MN (kov polovodič). Velkou výhodou tohoto přechodu je, že v něm nedochází k injekci minoritních nosičů náboje. Vedení proudu je realizováno pouze majoritními nosiči, což přináší řadu výhod. Schottkyho přechody mají v přímém směru menší úbytky napětí než přechod PN. Z polovodiče N přecházejí do kovu tzv. horké elektrony z vrcholu energetické bariéry, které v kovu ztrácejí přebytek své energie. To předurčuje Schottkyho diody pro zpracování signálů s vysokými kmitočty. Pro výrobu Schottkyho diod se nejčastěji používá křemík nebo GaAs. Základ struktury tvoří destička silně dotovaného polovodiče N+. Na ní se epitaxí nanese vrstva typu N. Kontakt kov polovodič se vytváří napařování. Epitaxní slabě dotovaná vrstva zajišťuje diodě dobré závěrné vlastnosti, silně dotovaná vrstva pak dobrý ohmický kontakt a malý sériový odpor. Schottkyho diody se používají v aplikacích pro velmi vysoké frekvence, kde nahrazují hrotové diody, proti nimž mají lepší mechanickou pevnost, reprodukovatelnost při výrobě, menší šum a vyšší závěrné napětí. Vzhledem k rychlým spínacím časům a malému napětí v průchozím směru jsou Schottkyho diody užívány ve spínačích s dobou sepnutí jednotky ns i menší, jako ochranné prvky a jako součástky rychlých logických integrovaných obvodů. Malé napětí v přímém směru umožňuje využívat Schottkyho diod ve výkonové technice jako usměrňovače a spínače s větší energetickou účinností, menšími rozměry a hmotností než klasické diody. Jedním z nedostatků je menší závěrné napětí (průrazné napětí 10 až 150 V). Vysokofrekvenční a spínací diody Uvedené diody se používají v zapojeních, která pracují na vysokých kmitočtech nebo v impulzním režimu. Proto musí vykazovat velmi krátkou hodnotu zotavovací doby trr < 500 ns, z čehož vyplývá hodnota bariérové kapacity Cb řádově pf. S ohledem na rozsah přenášených kmitočtů je třeba, aby tyto diody vykazovaly malou hodnotu kapacity přechodu PN v závěrném směru a zároveň nízkou hodnotu difuzního napětí. Uvedené podmínky musí být splněny v případě požadavku detekce, resp. usměrnění VF signálu o malé hodnotě amplitudy. Title: IX 13 9:49 (7 of 7)