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.
