VY_32_INOVACE_ENI_3.ME_18_Technologie polovodičových součástek. Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing.

Transkript

1 Číslo projektu Číslo materiálu CZ.1.07/1.5.00/ VY_32_INOVACE_ENI_3.ME_18_Technologie polovodičových součástek Název školy Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Autor Ing. Miroslav Krýdl Tematická oblast ELEKTRONIKA Ročník třetí Datum tvorby Srpen 2012 Anotace Tematický celek je zaměřen na problematiku základů elektroniky. Prezentace je určena žákům 3.ročníku, slouží jako doplněk učiva. Pokud není uvedeno jinak, použitý materiál je z vlastních zdrojů autora

2 Základem polovodičových součástek je přechod PN. Existuje celá řada způsobů, jak PN přechod vyrobit. Některé se dnes již prakticky nepoužívají. Mezi nejběžnější metody výroby polovodičových součástek patří: slitinová technika difuzní technika kombinace slitiny a difuze mesa planární technika

3 Slitinová technika Na germaniovou destičku (například typu N) se přiloží úlomek akceptoru tj. látky, jejímž vlivem vzniká polovodič typu P. V tomto případě to bude indium. Několik takových destiček se sendvičovým způsobem zkombinuje dohromady s akceptory. Celek se umístí do pouzdra a vše se zahřeje na teplotu 630 stupňů C. Vznikne tak přechod PN, jenž je základem tranzistoru, který se vyrobí umístěním vrstvy P na destičku. Výsledkem je tranzistor typu PNP, jehož povrch se ještě kvůli zlepšení parametrů čistí leptáním a omýváním.

4 Difuzní technika Vpravování příměsí do krystalu a tím i vytváření přechodu PN se děje za velmi vysokých teplot (700 až 800?C pro germanium a až C pro křemík). Kombinací slitinové a difuzní techniky vznikají zejména tzv. driftové tranzistory. V jejich bázi je vytvořen spád koncentrace příměsí stejného typu vodivosti, jakou má základní materiál. Driftové tranzistory jsou vhodné zejména pro vysoké frekvence (do 100 MHz).

5 Tranzistory mesa Jejich název je odvozen od Stolové hory, kterou svojí stavbou připomínají (mesa znamená ve španělštině stůl). Oblast báze N se vytváří difuzí na základní destičku P, která tvoří kolektor. Z opačné strany se napařuje proužek materiálu s vodivostí typu P, který se fotochemickou cestou rozdělí na dvě části, a vznikne tak emitor a elektroda báze.

6 Planární technika Povrch součástky je již před výrobou pokryt tenkou ochrannou vrstvou tvořenou oxidem křemíku. Výsledný výrobek proto není potřeba čistit leptáním a mytím. Zároveň je však dosažena vysoká čistota materiálu, a tak jsou planární součástky provozně stabilnější a spolehlivější v porovnání s výše uvedenými technikami. Dalším vylepšením procesu výroby polovodičových struktur je epitaxe. Tímto termínem se označuje nárůst tenkých vrstev polovodiče na monokrystalu polovodiče se stejnou krystalovou orientací. Tenká vrstva vzniká chemickým vylučováním polovodičového prvku. Epitaxe se používá v mesa tranzistorech a v planární technice.

7 Vertikální tranzistor V Bellových laboratořích byl vyvinut nový druh tranzistoru. Jeho velikost dosahuje úctyhodně titěrných rozměrů 50 nanometrů. Pro srovnání: typická velikost tranzistoru dosud běžně používaného je 180 nanometrů, tedy více než třikrát větší. Před deseti lety se dokonce pohybovala tloušťka pouhé báze tranzistoru vyrobeného slitinovou technikou okolo 20 až 50 mikrometrů (dnes je tento rozměr tisíckrát menší). Rozdíly vertikálního tranzistoru oproti klasickému však nejsou pouze ve velikosti. Všechny komponenty tranzistoru jsou umístěny ve svrchní části křemíkové vrstvy. Proud tedy teče na rozdíl od klasického tranzistoru vertikálně. Dále se obě polovodičové součástky liší počtem hradel. Zatímco v běžném tranzistoru se pochopitelně nachází pouze jedno, ve vertikálním jsou dvě. Konstruktéři tohoto podivuhodného zařízení tvrdí, že rychlost čipu osazeného tímto typem tranzistoru tak téměř dvojnásobně narůstá. Dosavadní technologie výroby tranzistorů již narážely na limity dané vysokými teplotami zpracování. Tato překážka je nyní rovněž odstraněna. Jack Hergenrother, který se podílel na vzniku vertikálního tranzistoru, vysvětluje jeho základní myšlenku takto: "Představte si, že máte k dispozici plechovku barvy a tlustý štětec. Vaším úkolem je nakreslit co nejtenčí čáru. Většina lidí začne ihned patlat, někteří možná otrhají štětec. My jsme na to šli jinak. Nejdříve jsme nakreslili čáru tak, jak vyšla. Potom jsme vzali papír a přetrhli ho uprostřed čáry. Otočili jsme papír o 90? a nejtenčí čáru stanovili jako tloušťku nanesené vrstvy barvy. V průběhu nejbližších deseti let by měl být, podle oficiálních vyjádření Bellových laboratoří, klasický tranzistor nahrazen vertikálním. Hovoří se také o tom, že velikost 50 nanometrů bude brzy možno snížit na 30 nanometrů. Inu, v laboratoři lze dosáhnout lecjakých výsledků, zda ale bude objev i prakticky využit, ukáže až blízká budoucnost.

8 Čipy Nyní tedy víme, jak na velmi malé ploše vytvořit mnoho tranzistorů základních stavebních prvků každého počítače. U pamětí je situace relativně snadná díky tomu, že paměť je složena ze stejných buněk. Ale co třeba takový procesor, jehož jednotlivé části nemohou být spojeny přímo ve struktuře polovodiče (protože funkce jedné části je nezaměnitelná s jinou)? V našem makrosvětě zkrátka vezmeme tranzistor, kus drátu a diodu a vzájemně je k sobě připájíme. Jak ale připájet součástky, jejichž velikosti se pohybují v řádech nanometrů, maximálně mikrometrů? Jednou z používaných metod je vypalování vodivých cest pomocí laseru. Princip se podobá leptání, jak jej známe u tištěných spojů. Protože pamětem, procesorům a periferiím se dosti podrobně věnovaly jiné články, jež vyšly na stránkách Computerworldu, dovolím si je poněkud opominout. Namísto nich se zmíním o zařízení, které sice není tak sofistikované, nicméně jeho funkce je v mnoha elektronických aplikacích nezastupitelná.

9 Použité zdroje: Kesl, Jan. Elektronika I Analogová technika. Praha :BEN, s. ISBN