.
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

Пробои  перехода

 В зависимости от удельного сопротивления полупроводника, типа  – перехода, формы и величины приложенного напряжения, окружающей температуры и условий теплоотвода, состояния поверхности и других факторов физическая природа пробоя может быть различной. Обычно рассматривают четыре разновидности пробоя: туннельный, лавинный, тепловой и поверхностный. Две первые разновидности связаны с наличием электрического поля и имеют общее название электрического пробоя, третья обусловлена возрастанием рассеиваемой переходом мощности, а четвертая связана с поверхностным зарядом.

С практической точки зрения целесообразно различать два вида пробоя: электрический и тепловой. Электрический пробой неопасен для  – перехода: при отключении источника обратного напряжения вентильные свойства электронно–дырочного перехода полностью восстанавливаются. Тепловой пробой приводит к разрушению кристалла и является аварийный режимом.

Электрический пробой вызывается совместным действием двух факторов: ударной ионизацией атомов и туннельным эффектом. Ударная ионизация возникает, когда под действием обратного напряжения электроны проводимости приобретают на расстоянии, равном длине свободного пробега, энергию, достаточную для отрыва других электронов при столкновении с атомами кристалла. При этом происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда и ток возрастает.

Туннельный эффект связан с волновыми свойствами электрона. Для электронов, у которых волна де Бройля соизмеримо с размерами атомов, есть вероятность проникнуть сквозь стенку потенциального барьера (или потенциального ящика), если за барьером имеется уровень, энергия которого равна энергии исходного уровня (нет запрещенной зоны). Коэффициент «прозрачности» барьеров зависит от многих факторов.

Тепловой пробой возникает при недостаточном охлаждении кристалла. В этом случае температура  – перехода повышается, что приводит к увеличению генерации носителей зарядов, увеличению тока и дальнейшему повышению температуры. В конечном счете кристалл разрушается. Для борьбы с тепловым пробоем полупроводниковые приборы снабжаются устройствами, повышающими теплоотдачу.

В области  – перехода нарушается равномерное распределение носителей заряда в кристалле и образуется два объемных заряда равного знака. Значение этих зарядов зависят от приложенного напряжения. Эту зависимость характеризует емкостью  – перехода. Емкость увеличивается с увеличение прямого тока.

Емкости перехода

 Барьерная емкость перехода. Пространственный заряд  – перехода изменяет свою величину при изменении приложенного к переходу напряжения. Поэтому плоскостной электронно – дырочный переход можно рассматривать как систему из двух проводящих плоскостей, заряды которых численно равны, противоположны по знаку и разделены средой со свойствами. близкими к диэлектрику, т.е. как плоский конденсатор.

  Величину барьерной (зарядной) емкости можно рассчитать по формуле плоского конденсатора

  , (12.22)

где площадь поперечного сечения перехода, а ширина   перехода, тогда 

 , (12.23)

 Барьерная емкость зависит от удельного сопротивления и подвижности носителей, от толщины и площади перехода и напряжения на нем. Чем больше удельное сопротивление и подвижность носителей, тем меньше емкость перехода. Увеличение обратного напряжения расширяет область пространственного заряда. Это приводит к уменьшению барьерной емкости.

  Диффузионная емкость перехода. Приложенное к переходу прямое напряжение приводит к росту прямого тока и увеличению концентрации неравновесных носителей – дырок в базовой области. Это явление схоже с процессами в конденсаторе, на обкладках которого изменение зарядов пропорционально изменению приложенного напряжения. Емкость, определяющаяся отношением изменения величины инжектированного заряда в базе к изменению приложенного напряжения, носит название диффузионной емкости:

  . (12.24)

Технология изготовления   перехода

 Исходные материалы, идущие на изготовление полупроводниковых приборов, должны иметь весьма малое содержание примесей и обладать правильной монокристаллической структурой. Особую проблему представляет очистка полупроводников и получение монокристалла с определенными параметрами (типом проводимости, удельным сопротивлением и др.), из которого можно изготавливать   – переходы. Плоскостные  – переходы  обычно изготавливают методом сплавления или диффузии.

 Сплавной плоскостной переход образуется в результате вплавления в германиевую или кремниевую монокристаллическую пластинку электрода (металла или сплава), который содержит донорные или акцепторные примеси (рис. 11.11). Для изготовления сплавных переходов в большинстве случаев применяются электронные полупроводники. В качестве акцепторного материала для германия наиболее широко применяется индий, а для кремния – алюминий.

  При изготовлении германиевого  – перехода используется пластинка германия толщиной 0,1 – 0,2 мм и таблетка индия (рис. 12.11а). Они помещаются в вакуумную или водородную печь. При температуре 155С индий плавится и начинает растворять германий. Одновременно происходит диффузия индия в твердую часть германия.

 


Рис. 12.11

Переход, образованный в результате диффузии примеси в полупроводнике, называется диффузионным. При изготовлении кремниевых переходов исходным материалом является кристалл кремния с электропроводностью n – типа, а в качестве диффузанта используется бор (рис. 12.11б).

 При диффузионном методе концентрация примеси в n – слое уменьшается от поверхности в глубь кристалла по закону, близкому к экспоненциальному. При этом образуется плавный  – переход.

Контрольные вопросы

1.Расскажите об электропроводимости в полупроводниках.

2. Что такое собственная проводимость?

3. Рассказать о диффузионных и дрейфных явлениях в полупроводниках.

4. Что такое примесная проводимость?

5. Как происходит переход зарядов и их выравнивание на электроннодырочном пограничном слое?

6. Расскажите об электроннодырочном   переходе.

7. Объясните механизм возникновения потенциального барьера в  – переходе.

8. Расскажите о вольт–амперной характеристике  – перехода.

9. Объясните возможные механизмы пробоя электроннодырочного перехода.

10. Что такое емкость  – перехода?

11. Объясните технологию  – перехода.

Проектирование элементов и кристаллов биполярных ИМС

Введение

В полупроводниковых микросхемах в качестве активных приборов применяются биполярные и полевые транзисторы. По определению радиоэлементы полупроводниковых микросхем размещаются в приповерхностном объеме полупроводниковой пластины или в полупроводниковой области, размещенной на диэлектрической подложке.

 Приповерхностный объем характеризуется поперечным сечением (структурой) и плоскостными областями, выделенными на поверхности пластины (топология). В структуре приповерхностного объема выделяются слои, отличающиеся совокупностью параметров. Со стороны поверхности пластины этим слоям придаются определенные плоскостные (топологические) формы и размеры. Технологические процессы формирования радиоэлементов в приповерхностном объеме пластин связаны с формированием слоев структуры и придания им топологических форм и размеров для достижения необходимых параметров элементов.

Биполярные транзисторы получили широкое распространение в современной электронике. В микроэлектронике БПТ также широко применяются, составив основу направления биполярных микросхем. Основным элементом этих микросхем является БПТ, для задания рабочих режимов которого требуются резисторы, диоды. Наиболее сложная по составу слоев структура БПТ содержит по крайней мере два рабочих p-n-перехода (эмиттерно-базовый и коллекторно-базовый). На рисунке 2.1 показаны две структуры БПТ:

с коллекторной областью 2, совмещенной с пластиной 4 (рис. 2.1, а);

с коллекторной областью 2, отделенной от пластины 4 и, следовательно, от других транзисторов, расположенных на пластине (рис. 2.1, б).

На рисунке 2.1, а выделены эмиттерный (поз. 2), коллекторный (поз. 1), базовый (поз. 3) слои структур БПТ. В структуре,

изображенной на рисунке 2.1, б, присутствуют дополнительные границы 4, разделяющие коллекторы 1 БПТ один от другого и общего несущего основания 5. Границы 4 выполняют функцию изоляции для транзисторов и могут быть реализованы в виде p-n-перехода, неполярного диэлектрика или их сочетания. Как видно по рисунку 2.1, структура БПТ с изолированными областями коллекторов содержит не менее четырех слоев, включая несущее основание. Для исполнения изолированных диодов и резисторов требуется не более четырех слоев. Поэтому слои изолированных структур БПТ одновременно могут быть применены для исполнения на их основе и других сопутствующих радиоэлементов ИМС. Такое решение является основным в реализации ИМС с БПТ, так как позволяет исключить дополнительное увеличение числа слоев структуры, хотя и ограничивает выбор параметров слоев для радиоэлементов значениями, принятыми для такого прибора, как БПТ.


На главную