.
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

Варикап

 Варикап – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости  – перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

В качестве полупроводникового материала для изготовления варикапов служит кремний. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения показана на рисунке 13.6а.

Основными параметрами варикапа являются:

общая емкость, ;

максимальное значение обратного напряжения, ;

коэффициент перекрытия по емкости, ;

температурный коэффициент емкости, 

где номинальная емкость.

 


 Рис. 13.6

 Варикапы применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов. Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды. В этих трех типах диодов используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающее слое   – перехода.

В последнее время появились еще два типа диодов: магнитодиод и тензодиод.

 Магнитодиод – полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт – амперной характеристики под действием магнитного поля.

  Тензодиод – полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт – амперной характеристики под действием механических деформаций.

13.6. Основные технические параметры полупроводниковых диодов

 Характеристики полупроводниковых диодов зависят от температуры. Поэтому их мы можем использовать в определенных температурных пределах. Например, для германиевых диодов – от 60 до 700 С, а для кремниевых диодов от 60 до 1200 С .

 Полупроводниковые диоды характеризуются следующими параметрами: 

 1) высота вольт – амперной характеристики,  ;

2) внутреннее сопротивление для переменного тока,

сопротивление для постоянного тока,  ;

коэффициент выравнивания, , где R0пр значение прямого сопротивления равна нескольким Ом, а величина R0обр обратного сопротивления сравнительно очень высокое, но не беспредельное.

5) Iпр прямой ток – это ток протекающий через диод от положительного полюса к отрицательному;

6) выпрямленный т.е постоянный ток – это постоянная составляющая пульсационного тока или же средняя величина выпрямленного тока;

7) максимальная амплитуда выпрямленного тока. Величина выпрямленного тока приблизительно  составляет 30% его амплитудного значения.

8) Iобр обратный ток ток проходящий через диод в случае подачи обратного напряжения.

9) максимальная амплитуда обратного напряжения сохранение нормального состояния диода при котором пробои невозможны, есть величина обратного напряжения. Величина такого обратного напряжения составляет примерно от 25 В до 600 В. Любому диоду нельзя подавать обратное напряжение выше своей величины, указанного в технической характеристике.

Контрольные вопросы

1. Расскажите о полупроводниковых диодах.

 2. В чем заключается особенности выпрямляющих диодов?

3. Рассказать о принципе работы стабилитронов, используемых для установления напряжения диодов.

4. Расскажите о туннельных диодах.

5. Объясните принцип действия импульсных диодов.

6. Расскажите об основных технических параметрах полупроводниковых диодов.

Материалы ИМС

В настоящее время известны и исследованы более ста полупроводниковых материалов, среди которых находятся элементарные неорганические (монокристаллические материалы кремний и германий, поликристаллический селен), сложные (многокомпонентные) неорганические кристаллические и поликристаллические (арсениды, фосфиды, антимониды галлия, индия, алюминия и др.), органические (молекулярные кристаллы, полимерные и т.п.), ферриты (сплавы окиси железа с окислами других металлов), стеклообразные аморфные вещества.

Полупроводниковые ИМС изготавливаются преимущественно на основе кремния, который выделяется в ряду множества материалов благодаря уникальному сочетанию ширины запрещенной зоны, отличных маскирующих свойств и стабильности технологичного окисла SiO2, больших природных запасов сырья. Тем не менее монополия кремния, установившаяся с начала 60-х годов прошлого столетия в производстве ИМС нарушена арсенидом галлия (GaAs), на основе которого созданы сверхбыстродействующие БИС, функционирующие со временем переключения пикосекундного диапазона. Применение арсенида галлия в производстве ИМС длительное время сдерживалось несовершенством маскирующих литографических структур, применяемых при формировании топологических конфигураций элементов ИМС, и относительно высокой стоимостью материала. В современной микроэлектронике арсенид галлия, благодаря высокой подвижности электронов (в пять раз превышает этот параметр в кремнии), повышенному значению ширины запрещенной зоны (на 30 % превышает показатель для кремния) и технологическим достижениям в области избирательного формирования топологических рисунков слоев ИМС, получает все более широкое распространение у разработчиков сверхбыстродействующих микросхем, функционирующих при повышенных температурах и уровнях облучения.

Далее приводятся основные сведения по двум полупроводниковым материалам: кремнию и арсениду галлия.

2.3.2 Кристаллические материалы ИМС

Свойства кристаллических нелегированных полупроводников, применяемых в производстве ИМС, приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 — Параметры кремния (Si) и арсенида галлия (GaAs)

 

 

 

Наименование параметра

Si

GaAs

Атомный номер

Атомная масса, 1022 см–3

Диэлектрическая проницаемость

Постоянная решетки, нм

Температурный коэффициент ширины

запрещенной зоны, 10–4 эВ/град.

Коэффициент изменения ширины запрещенной зоны

по гидростатическому сжатию, 10–6, эВ/(атм.)

Температура плавления, град.

Коэффициент теплопроводности, дж/грамм·град.

Коэффициент линейного расширения, 10–6 град.–1

Эффективная масса электронов, отн.ед.

Эффективная масса дырок, отн.ед.

Сжимаемость, 10–11 Па–1

При 300˚ С

Ширина запрещенной зоны, эВ

Эффективная плотность состояний Nc, см–3

Эффективная плотность состояний Nv, см–3

Подвижность электронов, см2/В сек

Подвижность дырок, см2/В сек

Собственное удельное сопротивление, Ом×см

Собственная концентрация носителей заряда, см–3

14

28

11,7

54

 

–4,1

 

–2,4

1420

1,42

6,9

0,33

0,55

1,02

 

1,11

2,8×1019

1×1019

1400

500

2×105

1,5×1010

144,6

10,9

56

 

 

–5,0

 

+12,6

520

0,37

5,6

0,07

0,50

1,32

 

1,43

 

 

11000

450

1,5×106

1,5×106

  Для управления свойствами кремний легируют акцепторными или донорными примесями. В качестве донорной примеси в кремнии применяются атомы фосфора, мышьяка, сурьмы, а в качестве акцепторной примеси — атомы бора. Предельные уровни легирования кремния ограничены сверху уровнем предельной растворимости примеси в полупроводнике, который зависит от температуры. Максимальные значения предельной растворимости примесей в кремнии от температуры приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Максимальные уровни легирования кремния примесями

Примесь

Мышьяк

As

Фосфор

P

Бор

B

Сурьма

Sb

Концентрация примеси см–3

20·1020

1150 °С

13·1020

1150 °С

5·1020

1200 °С

0.6·1020

1300 °С


Зависимость удельного объемного сопротивления монокристаллического кремния от концентрации примеси при 300 К приведена на рисунке 2.2.

Кремний в виде круглых пластин диаметром 100...120 мм (в перспективе 150...200 мм), толщиной 200...400 мкм. Шероховатость поверхности кремниевых пластин соответствует 14-му классу (Rz=0,05 мкм) для рабочей стороны и 12-му классу (Rz=0,2 мкм) для нерабочей стороны.


На главную