ELEKTRONICKÉ PRVKY TECHNOLOGIE VÝROBY POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ Polovodič - prvek IV. skupiny, v elektronice nejčastěji křemík Si, vykazuje vysokou čistotu (10-10 ) a bezchybnou strukturu atomové mřížky v monokrystalu. Polovodič typu P - má příměs prvku, akceptoru, který má o jeden valenční elektron méně než základní polovodič - nejčastěji bór B. Vodivost polovodiče P je způsobena pohybem děr po valenčních elektronech - děrová vodivost. Polovodič typu N - má příměs prvku, donoru, který má o jeden valenční elektron více než základní polovodič - nejčastěji fosfor P. Vodivost polovodiče N je způsobena pohybem přebytečných valenčních elektronů - elektronová vodivost. Základní materiál polovodičových součástek - monokrystalický polovodivý materiál 1
Monokrystaly - připrava z krystalového zárodku, např. tažením z taveniny v kelímku (monokrystaly o průměru až 500 mm, délce až 180 cm a hmotnosti do 100 kg). Hotové monokrystaly rozřezány na tenké destičky (tloušťka cca 1 mm) na povrchu leptány, broušeny a leštěny Technologie výroby polovodičových prvků vertikální uspořádání polovodičových součástek - PN přechody vytvářeny tak, že do krystalu jsou zaváděny s definovaným gradientem koncentrace a úrovní dotující příměsi. horizontální uspořádání v polovodičových součástkách umožňuje volbu plošné distribuce příměsí v polovodičovém substrátu maska (zabrání vniknutí příměsí tam, kde jsou nežádoucí) Vertikální uspořádání Přechody PN lze připravit: sléváním, difúzí, růstem epitaxní vrstvy, iontovou implantací. Slévání přechod PN vznikne na rozhraní slitiny dotující látky a základní polovodičové desky při vyšší teplotě vytváří strmý přechod s širokou tolerancí výroba nejstarších germaniových polovodičových prvků Difuze nejčastější postup pro výrobu přechodů destička základního materiálu umístěna v prostředí s vysokou teplotou (pro Si asi 500 o C) za přítomnosti páry difuzního prvku proces je poměrně dobře řiditelný a reprodukovatelný, vytvořené přechody jsou ale pozvolné 2
Epitaxní růst nejčastěji připravovány polotovary mající na povrchu tenké vrstvy, do kterých jsou dále vytvářeny struktury polovodičových součástek z plynné fáze, kdy se polovodivý materiál uvolňuje tepelným rozkladem vhodné látky nebo z kapalné fáze, kdy dochází ke krystalizaci z přesyceného roztoku dotace epitaxní vrstvy se provádí přimíšením dotační látky do pracovního prostředí (plyn, kapalina) tak, že dotace epitaxní vrstvy je v celé její tloušťce konstantní. Iontová implantace moderní technologie - umožňuje připravovat přechody bez dlouhodobého ohřevu na vysokou teplotu. tzv. iontovým implantátorem hloubka přechodu je určena energií iontů, tj. urychlovacím napětím. množství nastřelených iontů je dáno součinem doby implantace a hustoty iontového svazku, (ze měřit jako elektrický proud) 3
Horizontální uspořádání umožňuje v polovodičových součástkách volbu plošné distribuce příměsí v polovodičovém substrátu maska (zabrání vniknutí příměsí tam, kde jsou nežádoucí) Fotolitografický postup vytvoření masky z SiO 2 pro difúzi Vyrobený polovodičový systém čip ochrana před vlivy prostředí opatření vnějšími vývody termokompresí nebo ultrazvukovým svářením vodičem o průměru několika setin mm z Au nebo Al zapouzdření - různé druhy pouzder (kovová se skleněnými průchodkami, pouzdra keramická, pouzdra plastová), nezbytná schopnost odvádět do okolí teplo vznikající v čipu 4
CHLAZENÍ ELEKTRONICKÝCH PRVKŮ Maximální teplota čipu t cmax - nesmí být ani krátkodobě překročena pro křemík t cmax = = 150 o C až 210 o C, pro germanium t cmax = 90 o C teplo vytvořené ztrátovým výkonem P z čipu prvku musí být odváděno Pro ustálený stav: teplotní spád mezi čipem o teplotě t c a okolním prostředím o teplotě t 0 je úměrný ztrátovému výkonu P a celkovému teplotnímu odporu R t kde: t = t t = P.R = P. R c o t i t je oteplení čipu [K] P ztrátový výkon prvku [W] t c teplota čipu [K] R t celkový teplotní odpor [KW -1 ] t o teplota okolí [K] R i dílčí teplotní odpory [KW -1 ] Ztrátový výkon P z určíme: a) jednoduché elektronické prvky (diody, tranzistory) - střední hodnota součinu přiváděného napětí a proudu v čase P = 1 z T T 0 u(t)i(t)dt b) součástky složitější konstrukce (zesilovače, stabilizátory napětí aj.) - vhodnější je určení P z jako rozdíl výkonu přiváděného k obvodu P in a výkonu odevzdávaného obvodem P out. P = P P z in out 5
Příklad chlazení výkonového tranzistoru Teplotní odpor pouzdra prvku R p - udáván v katalogu Teplotní odpor chladiče R ch - nejlépe pro danou konstrukci zjistit experimentálně, měřením. Závisí na: velikosti plochy chladiče, ale také na její povrchové úpravě, poloze a proudění okolního vzduchu. Zhruba platí, že 1 dm 2 černěné plochy má teplotní odpor R = 6,5 KW -1. Určení velikosti chladiče ve formě čtvercové Al desky s polovodičovým prvkem uprostřed : R c = 65, S c + 2 d. kde S je plocha desky [dm 2 ] d tloušťka desky [mm], R c celkový teplotní odpor [KW -1 ] koeficient c závisí na poloze desky a kvalitě jejího povrchu poloha desky čistý povrch černěný povrch vodorovná c = 1 c = 0,5 svislá c = 0,85 c = 0,43 6 4 c
TYRISTOR Tyristor - polovodičová součástka se čtyřvrstvou strukturou PNPN Použití: výkonová elektronika - bezkontaktní spínání proudů blokovací stav - kladný pól zdroje připojen na anodu a záporný pól na katodu, průchodu proudu brání druhý přechod NP; tyristor je ve vypnutém stavu závěrný stav - kladný pól zdroje připojen na katodu a záporný pól na anodu, tyristor je vypnutý přechod z blokovacího stavu do sepnutého stavu přivedením kladného napětí oproti katodě na řídicí elektrodu - tyristor sepne Přerušení řídicího proudu již neovlivní propustný stav tyristoru. 7
Tyristor setrvává v propustném stavu tak dlouho, pokud se proud I A procházející anodou tyristoru nezmenší pod hodnotu vypínacího proudu I AOFF. V sepnutém stavu se tyristor chová jako polovodičová dioda, jejíž vodivost je vyvolávána impulsem řídicího proudu a rušena přerušením anodového proudu. V závěrném směru je tyristor zavřený tak, jako obyčejná dioda. Mezní parametry udává výrobce v katalogu: maximální proud I Amax - je dán mohutností a chlazením PN přechodu, vyrábějí se tyristo ry pro I Amax = 1 A až tisíce A zapínací proud řídicí elektrody I Gmin - má velikost asi tisíciny I Amax vypínací proud I AOFF - má velikost okolo tisíciny maximálního proudu I Amax maximální blokovací napětí U bmax - je 100 V až 6 kv maximální závěrné napětí U Rmax - je 100 V až 6 kv 8