.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Диффузионные и дрейфовые явления в полупроводниках

В полупроводниках если длина свободного пробега электрона или дырки значительно меньше толщины барьера, т.е. электрон или дырка испытывает в процессе перехода много столкновений с решеткой, то применяют для вычисления тока через потенциальный барьер диффузионную теорию. Она справедлива для полупроводников с малой концентрацией носителей заряда и малой длиной свободного пробега, например для закиси меди, селена и др.

Наличие в области запирающего слоя пространственного заряда и внутреннего поля, а также неоднородного распределения подвижных нисителей приводит  к возникновению двух потоков носителей зарядов: диффузионного, обусловленного градиентом концентрации, и дрейфового, обусловленного внутренним полем. Результирующий электрический ток является суммой дрейфового тока (омического)

  (12.13)

и диффузионного тока

 , (12.14)

где D – коэффициент диффузии электронов (или дырок).

В состоянии равновесия при отсутствии внешнего поля дрейфовый или омический ток равен диффузионному. Они направлены в противоположные стороны. Поэтому результирующий ток

  (12.15)

Учитывая, что , а концентрация в при контактной области изменяется по распределению Больцмана,

 , (12.16)

 ,

 Если к контакту металл–полупроводник приложена внешняя разность потенциалов U, то ток через контакт будет

  (12.17)

Решение уравнения (12.17) дает для тока через контакт следующее выражение:

  ; (12.18)

  (12.19)

где   – дрейфовая скорость электрона (или дырки) в поле запирающего слоя, Е – напряженность поля у границы;

  (12.20)

12.3. Переход зарядов на электронно – дырочном пограничном слое

и их выравнивание

12.3.1. Электронно – дырочный  переход

Электронно – дырочным переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность.  переход получают введением в примесный полупроводник дополнительной легирующей примеси. Например, при введении донорной (электронная электропроводность) примеси в определенную часть полупроводника р – типа в нем образуется область полупроводника  типа, граничащая с полупроводником  типа.

При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника   типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника р – типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой (рис. 12.6).

Если к  переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Евн , совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Езап (рис. 12.7), то это приведет лишь к расширению запирающего слоя, так как отведет от контактной зоны и положительные, и отрицательные носители заряда (дырки и электроны). При этом сопротивление перехода велико, ток через него мал – он обусловлен движением не основных носителей заряда. В этом случае ток называется обратным, а   – переход – закрытым.

При противоположной полярности источника напряжения внешнее электрическое поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается и при напряжении 0,3–0,5 В запирающий слой исчезает.

  

 


Рис. 12.6 

Сопротивление  – перехода резко снижается, и возникает сравнительно большой ток. Ток при этом называют прямым, а переход открытым.

      

  

   

 Рис. 12.7 Рис. 12.8

Если кристаллы  и – типов привести в плотное соприкосновение, то сразу после соприкосновения кристаллов начинается диффузия дырок из – области в – область и диффузия электронов в обратном направлении (рис. 12.8). Встречаясь электроны и дырки будут рекомбинировать, при этом вблизи граничной плоскости образуются два слоя: слева слой «обнаженных» отрицательных ионов, справа – слой «обнаженных» (не скомпенсированных) положительных ионов. Между двумя разноименно заряженными слоями возникает электрическое поле, напряженность которого будет препятствовать диффузии дырок и электронов. Чем больше не скомпенсированных ионов, т.е. чем больше будет ширина «обнаженных» слоев, тем выше будет напряженность электрического поля. При некотором значении напряженности диффузионный ток прекратится. Этому значению напряженности будет соответствовать определенная контактная разность потенциалов и определенная ширина слоя, в котором рекомбинировали подвижные носители зарядов.

Конструкции и состав ИМС

На рисунке 1.1 в качестве примера показан вариант конструкции гибридной корпусированной ИМС. Основными составными частями конструкции корпусированной ИМС являются:

основание и крышка корпуса;

плата или кристалл ЭРЭ;

материал монтажа (соединительных швов) плат и (или) кристаллов;

материал электромонтажа плат (кристаллов) с выводами корпуса.

Корпус микросхемы состоит из основания 6 (плата с вваренными или опрессоваными выводами для внешних подключений) и металлической (или диэлектрической) крышки 1. Основание и крышка в процессе монтажа ИМС соединяются герметизирующим клеевым, паяным или сварным (в зависимости от примененных материалов) швом 9. На основании 6 применением клеевой связки смонтирована теплопроводящая подложка 4, на которой установлены две платы (поз.3) и два компонента (поз.2). На платах 3 размещены элементы (не показаны на рис. 1.1) и с помощью клея (поз. 10) выполнен монтаж компонентов 2, 7. Конструкции и размеры компонентов 2, 7 различны. Электрический монтаж плат выполнен проволокой 5 сварным соединением 8 на выводах корпуса.

Рисунок 1.1

На рисунке 1.2 в качестве примера показаны два варианта конструкций бескорпусных ИМС (поз. 1 на рис. 1.2, а, поз. 2 на рис. 1.2, б) с гибкими выводами, установленных на платы гибридной схемы. Микросхемы на платах фиксируются с помощью клея. Электрический монтаж выводов выполнен пайкой или сваркой гибких выводов микросхем к контактам платы (поз. 3, рис. 1.2, а и поз. 4, рис. 1.2, б).

Представленные на рисунке 1.2 варианты конструкций ИМС отличаются исполнением защитного слоя на кристаллах. В исполнении (см. рис. 1.2, а) защита кристалла выполнена по всей поверхности кристалла. В конструкции ИМС, показаной на рисунке 1.2, б, кристалл защищен со стороны монтажа проволочных выводов. Защита ИМС выполнена с помощью слоя компаунда. На рисунке 1.2, а обозначены следующие элементы конструкции:

защищенный компаундом кристалл 1;

проволочные выводы 2;

контактные площадки 3 монтажной платы 4;

материал связующего шва 5 (связка).

Рисунок 1.2

Аналогично на рисунке 1.2, б обозначены следующие составные части конструкции ИМС:

кристалл ИМС (поз. 1);

защитный слой компаунда (поз. 2);

гибкие выводы (поз. 3);

контакты монтажной платы (поз. 4);

материал шва крепления кристалла (связка) на плате (поз. 5);

монтажная плата (поз. 6) под установку ИМС.

В основу конструкций кристаллов и плат ИМС положены способы и решения, доступные планарной технологии. Одной из определяющих черт планарной технологии является ее универсальность. Технологический процесс формирования планарных конструкций состоит из трех повторяющихся операций (химическая обработка, термическая обработка и фотолитография).

Разнообразные полупроводниковые приборы и ИМС реализуются в типовых технологических процессах изменением состава комплекта фотошаблонов, сочетаний операций химической, термической, литографической обработки.

Планарные элементы и композиции защищаются от окружающей среды диэлектрической пленкой двуокиси кремния непосредственно в процессе их создания. Защитная пленка двуокиси кремния сохраняется на всех этапах дальнейшего формирования структуры элементов ИС, обеспечивая высокую стабильность параметров и надежность работы ИС.

Планарная технология характеризуется большим разнообразием геометрических конфигураций, высокой точностью взаимного расположения и линейных размеров элементов.

Другой определяющей позитивной чертой планарной технология является групповой метод изготовления элементов и ИМС. На одной пластине кремния одновременно изготавливаются элементы множества ИС. Их число зависит от диаметра пластины и площади, отведенной отдельной ИМС. После формирования элементов, нанесения металлической разводки между элементами и металлических контактных площадок для присоединения внешних выводов корпуса ИС пластина кремния разрезается на отдельные кристаллы, содержащие радиоэлементы одной ИС. Дальнейшая обработка каждого кристалла (сборка в корпус, присоединения выводов) ведется индивидуально, что увеличивает стоимость процессов сборки ИС по сравнению с другими технологическими процессами.

Групповые методы изготовления ИС — это своего рода интеграция технологических процессов, т.е. объединение в едином времени технологических процессов изготовления сотен и тысяч ИС. Эти особенности технологии позволяют обеспечить уникальные структурные и электрические параметры ИМС, недостижимые для технологий производства изделий из дискретных радиоэлементов.

Конструкции ИМС реализуются в производственных условиях, характеризующихся исключительно высокой технологической гигиеной, использованием сложного технологического оборудования, особо чистых химических материалов и реактивов. По этим показателям производственные условия современных групповых процессов планарной технологии существенно превосходят иные технологии области точного машиностроения.

Технологии групповой обработки максимально автоматизируются и ориентированы на производные процессы без участия человека.


На главную