Контрольная работа по "Электронике"

Задача №1

 

В германиевом р-n-переходе удельная проводимость р-области σ_р=10⁴ См/м и удельная проводимость n-области σ_n=10² См/м. Подвижности электронов μ_n и дырок m_p в германии соответственно равны 20 и 10^-8 /(В×с). Концентрация собственных носителей в германии при Т=210 К составляет n_i=1 м^-3. Вычислить контактную разность потенциалов (высоту потенциального барьера) при Т=210 К.

 

Решение:

 

• Для материала р-типа

 

σ_p=qρ_pm_р=1,6∙10^-19∙0,012∙10^-8=0,0192∙10^-27

 

• Отсюда концентрация дырок в p-области

 

р_р=σ_p/(qm_р)=0,0192∙10^-27/(1,6×10^-19∙10^-8)=0,012 м^-3.

 

• Для материала n-типа

 

σ_n=qρ_nm_n=1,6∙10^-19∙44,1∙20=1411,2∙10^-19

 

• Отсюда концентрация дырок в n-области

 

n_n=σ_n/(qm_n)= 1411,2∙10^-19/(1,6×10^-19∙20)=44,1 м^-3.

 

• Концентрация дырок в n-области

 

p_n=п_i²/п_п=1/44,1=0,0227 м^-3.

 

• Тогда контактная разность потенциалов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача №2

 

Используя данные и результаты расчетов задачи из примера 1, найти плотность  обратного тока насыщения, а также  отношение дырочной составляющей обратного  тока насыщения к электронной, если диффузионные длины для электронов и дырок                        L_n = L_p = 1×10^-3м.

 

Решение

 

• Плотность обратного тока насыщения

 

.

 

• Из предыдущей задачи

 

р_п0=0,0227 м^-3;

 

n_p0=n_i²/р_р=1²/0,012 =83,33 м^-3.

 

• Используя соотношение Эйнштейна

 

D_p=(kT/q)m_p=(1,381∙10^-21∙210/1,6∙10^-19)∙10^-8=181,256∙10^-10

 

     D_n=(kT/q)m_n =(1,381∙10^-21∙210/1,6∙10^-19)∙20=36,251

 

• Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача №3

 

Германиевый полупроводниковый диод, имеющий обратный ток насыщения I₀=48,3 мкА, работает при прямом напряжении, равном 0,1 В, и T = 300 К. Определить: а) сопротивление диода постоянному току R₀;                          б) дифференциальное сопротивление r.

 

Решение

 

• Найдем ток диода при прямом напряжении (U=0,1 В) по формуле

 

I=I₀exp(qU/kT-1)=48,3∙10^-6(exp(1,6∙10^-19∙0,1/(1,381∙10^-21∙300)-1)= 0,0019 мА.

 

• Тогда сопротивление диода постоянному току

 

R₀ =U/I=0,1/(0,0019×10^-3)= 53 Ом.

 

• Вычислим дифференциальное сопротивление:

 

 

• откуда

r=1/(18,643×10^-3)=53,64 Ом.

 

• Или приближенно, с учетом того, что I>>I₀,

 

 

• Откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание №1. Механизмы диффузии в полупроводниках.

 

Диффузия — это обусловленный хаотическим тепловым движением перенос атомов, он может стать направленным под действием градиента концентрации или температуры. Диффундировать могут как собственные атомы решетки (самодиффузия или гомодиффузия), так и атомы других химических элементов, растворенных в полупроводнике (примесная или гетеродиффузия), а также точечные дефекты структуры кристалла — междоузельные атомы и вакансии.

Для создания в полупроводнике слоев с различным типом проводимости и p-n-переходов в настоящее время используются три метода введения примеси: термическая диффузия, нейтронно-трансмутационное легирование и ионная имплантация (ионное легирование). С уменьшением размеров элементов ИМС и толщин легируемых слоев второй метод стал преимущественным. Однако и диффузионный процесс не теряет своего значения, тем более, что при отжиге полупроводника после ионного легирования распределение примеси подчиняется общим законам диффузии.

Ток диффузии возникает в результате неравномерного распределения концентрации носителей заряда. Плотность тока диффузии определяется количеством диффундирующих частиц в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению диффузии. Умножая плотность потока на отрицательный заряд электрона или положительный заряд дырки получаем соотношения для диффузионных токов электронов и дырок.

 

Задание №2. Монтаж кристаллов при сборке интегральных микросхем.

 

В процессе изготовления полупроводниковых интегральных микросхем сохраняют как можно дольше единство подложки.Только после того, как выполнены все технологические операции на пластине, ее разделяют на отдельные кристаллы. Последняя операция на пластине до ее разрезки заключается в проверке отдельных ИМ (рнс. 2-71). Для этого осуществляют контрастирование очень тонких зондов с контактными площадками ИМ (приблизительно 50X50 мкм) — 2-72. Если для одной ИМ необходимо выполнить до 40 измерений, то для 500 ИМ, расположенных на одной: пластине,—2-10* измерений. Кроме того, при измерении необходимо осуществлять последовательное перемещение испытательных зондов. Данную работу можно рационально проводить с помощью измерительных автоматов (тестеров). Дефектные интегральные микросхемы маркируются цветной краской ( 2-73) и после разрезки пластины отсортировываются. Посредством металлизации элементы микросхемы, находящиеся на пластине, соединяются между собой.

При этом формируются также контактные площадки для внешних электрических соединений. Межэлементные соединения и контактные площадки, имеющие микронные размеры, должны быть приспособлены к достаточно грубой технологии сборки н монтажа на печатные платы. Это достигается с помощью монтажа кристаллов в корпуса, расстояние, между выводами которого кратно 1,25 нлн 2,5 мм. Корпуса должны одновременно обеспечивать защиту от механических и климатических воздействий и обеспечивать отвод мощности рассеяния от полупроводникового кристалла. 2-3-3-6-1. Разделение пластин на кристаллы. После проверки параметров всех интегральных микросхем, расположенных на пластине, они разделяются на кристаллы. На поверхность кремниевой пластины наносят риски, как при резке стекла, разделяют.

 

Задание №3. Бескорпусная герметизация интегральных микросхем.

 

Технология производства полупроводниковых приборов – это техническая наука, занимающаяся изучением физико-химических основ технологических процессов производства электронных прибор и закономерностей, действующих в процессе изготовления этих изделий. Использование результатов исследований фундаментальных наук и доведение их до инженерного решения применительно к производству изделий электронной техники позволяют разрабатывать новые технологические процессы для серийного и массового изготовления. Развитие прикладных наук в области получения чистых и сверх чистых материалов, нанесения покрытий, соединения различных материалов, электрофизических и электрохимических методов обработки способствовали совершенствованию полупроводниковой и плёночной технологии, особенно при производстве микросхем. Повышение качеств изделий требует высокой технологической точности и дисциплины производства, своевременного анализа и корректировки технологического процесса, построения оптимального технологического процесса.  Повышению качеств и стабильности технологических процессов, обеспечивающих массовое производство изделий с воспроизводимыми параметрами, способствует внедрение автоматизированных систем управления с полным исключением человека-оператора и его субъективного влияния на ход технологического процесса. Создание высокопроизводительных машин и автоматических линий требует знания основ технологии производства, современных методов изготовления деталей и узлов, нанесения покрытий, получение электронно-дырочных переходов, сборки приборов и микросхем и т.п. Производство изделий электроники состоит из нескольких этапов, в результате проведения которых материалы превращаются в готовые изделия.  Производственный процесс в электронном приборостроении состоит из: технологической подготовки производства; получения и хранения материалов и полуфабрикатов; технологического процесса изготовления деталей, сборки изделий; испытания готовых изделий; упаковки и хранения готовых изделий.  Технологический процесс является той частью производственного процесса, во время которого непосредственно происходит последовательное качественное изменение состояние продукта производства.  Проектирование технологического процесса ставит своей целью получение высококачественных изделий электронной техники, отвечающих техническим условиям и чертежам при высокой производительности и экономичности. Для защиты кристаллов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, кристаллов и подложек гибридных микросхем от воздействий внешней среды, стабилизации параметров, повышения срока службы и надёжности осуществляют герметизацию в металлических, металлостеклянных, керамических, металлокерамических и пластмассовых корпусах. В отдельных случаях, особенно при защите активных и пассивных элементов гибридных микросхем, производят бес корпусную герметизацию. При герметизации , а так же эксплуатации в корпуса может попасть некоторое количество влаги, присутствие которой, как уже отмечалось , вызывается со временем изменения их параметров, обусловленные адсорбцией и десорбцией молекул воды поверхностью полупроводника при колебаниях температуры окружающей среду.

Пример 4. В равновесном состоянии высота потенциального барьера сплавного германиевого                   p–n-перехода равна 0,2 В, концентрация  акцепторных примесей N_A в p-области много меньше концентрации доноров в N_D n-области и равна 3×10¹⁴см^-3. Требуется: а) вычислить ширину p–n-перехода W для обратных напряжений U_обр, равных 0,1 и 10 В; б) для прямого напряжения U_пр 0,1 В; в) найти барьерную емкость С, соответствующую обратным напряжениям, равным 0,1 и     10 В, если площадь p–n-перехода S=1 мм².

Решение

 

В выражении для расчета ширины ОПЗ резкого p–n-перехода

 

 

.

 

По условию задачи N_A << N_D, следовательно

 

.

Таким образом

 

 

Выбрав в прил. 3 значение диэлектрической  проницаемости германия e_s , произведем вычисления ширины ОПЗ в заданном p–n-переходе при U_обр =0,1 В

 

,

 

и U_обр = 10 В

 

.

Произведем вычисления ширины ОПЗ  в заданном p–n-переходе при U_пр =0,1 В

 

.

 

Найдем величину барьерной емкости, используя определение электрической  емкости

 

.

 

Таким образом, величина барьерной  емкости в заданном p-n–переходе  при U_обр =0,1 В

 

,

 

а  при U_обр = 10 В

 

.

 

Пример 5. К образцу кремния n-типа сделан золотой контакт, образующий барьер Шоттки. Падение напряжения на контакте "металл-полупроводник" j₀=0,5 В. Работа выхода электронов из металла qj_М равна 4,75 эВ. Чему равна концентрация легирующей примеси в кремнии. Рассчитать величину максимального значения напряженности электрического поля в области пространственного заряда в кремнии.

 

Решение

 

Поскольку

 

qj =qj_М–qj_п=0,5 эВ,

 

получим

 

qj_п=qj_М-qj₀=4,75-0,5=4,25 эВ.

 

Воспользовавшись  рис. 4, можно записать:

 

qj_п-qæ =(E_c-E_fn),

 

откуда следует

 

 

 

 

 

E_c-E_fn=4,25-4=0,2 эВ;

E_fn-E_i=(E_c-E_i)-(E_c-E_fn).

 

Таким образом,

 

E_fn-E_i=0,562-0,2=0,362 эВ.

 

Теперь, используя  уравнение

 

,

 

 

 

 

можно рассчитать концентрацию примеси в полупроводнике:

n=N_D=n_iexp(0,362/0,0258)=1,5∙10¹⁰exp(0,362/0,0258)=

=1,8∙10¹⁶см^-3.

 

Из  уравнения, приведенного в пункте 1.3.1, следует, что напряженность электрического поля в ОПЗ максимальна (E_m) при U = 0. Рассчитаем вначале ширину ОПЗ при U = 0:

 

см,

 

а затем напряженность  электрического поля:

 

 В/см.

 

5. ГИБРИДНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

 

 Гибридными интегральными микросхемами (ГИМС) называют микросхемы, в которых пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивности) выполнены в виде пленок на диэлектрической подложке, а полупроводниковые электронные приборы (диоды, транзисторы, диодные и транзисторные матрицы, ППИМС) – навесные.

Фрагмент  ГИМС приведен на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1

 

Микросхемы  с толщиной пленок менее 1 мкм называют тонкопленочными, а с толщиной более 1 мкм - толстопленочными ГИМС. Напыление тонких пленок осуществляется методами, описанными в разделе 3.6, а получение толстых пленок в [5].

Конфигурации тонко- и толстопленочных  элементов одинаковы, но их конкретные геометрические размеры (при заданных электрических параметрах) могут существенно различаться в связи с использованием совершенно разных материалов. Пленочные элементы нет необходимости изолировать друг от друга, так как все они выполняются на диэлектрической подложке. Поскольку расстояния между элементами сравнительно большие, паразитные емкости практически отсутствуют и их учет на эквивалентных схемах обычно не имеет смысла.

 

5.1 Подложки  ГИМС.

 

Подложки  в ГИМС играют очень важную роль. Во-первых, подложка является конструктивной основой микросхемы: на неё наносят  в виде пленок пассивные элементы схемы и размещают контакты для  подключения микросхемы к аппаратуре. Во- вторых, от материала подложки и  его обработки существенно зависят  параметры осаждаемых пленочных  слоев и надежность всей микросхемы.

Материал  подложки должен обладать:

- высоким удельным  электрическим  сопротивлением,

- быть механически прочным при  небольших толщинах,

- химически инертным к осаждаемым  веществам, 

- иметь высокую физическую и  химическую стойкость при нагревании  до нескольких сот градусов,

- не выделять газов в вакууме, 

- обладать хорошей полируемостью  поверхности, 

- иметь хорошую адгезию (механическое  сцепление, прилипаемость) к напыляемым  пленкам,

- иметь хорошую теплопроводность,

- иметь температурный коэффициент  линейного расширения (ТКЛ) по  возможности близким к ТКЛ  напыляемых слоев, 

- быть недефицитным и иметь  невысокую стоимость.

Большинству из этих требований удовлетворяют стекло и керамика. К недостаткам подложек из стекла следует отнести малую  теплопроводность, а подложек из керамики – шероховатость поверхности.

В настоящее время для подложек ГИМС в основном применяют ситалл и фотоситалл. Они представляют собой  стеклокерамический материал, получаемый путем термообработки (кристаллизации) стекла. По своим свойствам они  превосходят свойства исходного  стекла и отвечают всем выше перечисленным  требованиям.

Подложки, применяемые для ГИМС, имеют, как  правило, квадратную или прямоугольную  форму (таблица 5.1).

Таблица 5.1

Ширина, мм	10	10	10	12	16	16	16	20	24	30
Длина, мм	10	12	16	30	20	30	60	24	30	48

                                                                                                                                                                                                                                                   

5.2 Резисторы.

 

  Структура и конфигурации пленочного  резистора показаны на рисунке 5.2.  Как видим, в общем случае конфигурация пленочного резистора такая же, как диффузионного (рисунок 4.17). Она может быть полосковой (рисунок 5.2б) или зигзагообразной (рисунок 5.2в).

Рисунок 5.2

 

Расчет  сопротивления можно проводить  по формуле    R=R_S×K_Ф, где R_S - удельное сопротивление слоя зависит от его толщины и материала и K_Ф =l/b- коэффициент формы. Коэффициент формы лежит в пределах 0,1 – 50.

Типичные  значения R_S и удельной мощности рассеивания Р₀ приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2

Материал	RS, Ом/	Р0, мВт/мм2	Материал	RS,  Ом/	Р0, мВт/мм2
Хром	10-50	20	Рений	200-300	30
Нихром	300	20	Сплав МЛТ-3	500	20
Тантал	20-100	30	Сплав РС-3001	1000-2000	20
Нитрид тантала	200	30	Сплав РС-3710	3000	20
Кермет	103-104	20	Паста	102-105	20

Примечание: паста используется в толстопленочных  ГИМС.

 

Разброс значений сопротивлений составляет: без подгонки ±5%, а с подгонкой - ±0,05%, ТКС -  0,25×10^-4/°С.

Из  выше сказанного можно сделать следующие  выводы:

- диапазон  сопротивлений пленочных резисторов  несравненно шире,  чем  полупроводниковых  (диффузионных и ионно-легированных);

- тонкопленочная   технология   обеспечивает   более   высокую точность и  стабильность резисторов;

- подгонка   обеспечивает  существенное   уменьшение  разброса (допусков) сопротивлений;  следовательно, возможность такой  подгонки является важным преимуществом пленочных резисторов;

Подгонку резисторов можно осуществлять разными способами. Простейший, исторически  первый способ состоит в частичном  механическом соскабливании резистивного слоя до того, как поверхность ИС защищается тем или иным покрытием. Более совершенными являются методы частичного удаления слоя с помощью электрической искры, электронного или лазерного луча. Разумеется, все эти способы позволяют только увеличивать сопротивление резистора. Наиболее совершенный и гибкий метод состоит в пропускании через резистор достаточно большого тока.  При токовой подгонке одновременно идут два процесса: окисление поверхности резистивного слоя и упорядочение его мелкозернистой структуры. Первый процесс способствует увеличению, а второй - уменьшению сопротивления. Подбирая силу тока и атмосферу, в которой ведется подгонка, можно обеспечить изменение сопротивления и в ту, и в другую сторону на ±30% с погрешностью (по отношению к желательному номиналу) до долей процента.

 

5.3 Конденсаторы

 

  Структура и конфигурация типичного  пленочного конденсатора показаны  на рисунке 5.3. Емкость конденсатора  определяется по формуле 

С= С₀×S, где С₀ – удельная емкость конденсатора зависит от материала диэлектрика и толщины пленки, S- площадь конденсатора. Толщина диэлектрической пленки d существенно зависит от технологии: для тонких пленок d = 0,1 - 0,2 мкм, для толстых d = 10 - 20 мкм. Поэтому при прочих равных условиях удельная емкость С₀ толстопленочных конденсаторов меньше, чем тонкопленочных. Однако различие в толщине диэлектрика  может  компенсироваться благодаря  различию диэлектрических проницаемостей материалов.

При выборе диэлектрика для высокочастотных  конденсаторов (как тонко-, так и толстопленоч- ных) приходится дополнительно учитывать потери энергии в диэлектрике. Что касается омических потерь в обкладках пленочных конденсаторов, то они гораздо меньше, чем у полупроводниковых конденсаторов, потому что в качестве обкладок используются металлические слои с высокой проводимостью  поэтому добротность таких конденсаторов высокая и   может достигать Q=100.

           Рисунок  5.3

                                                     

В таблице 5.3 приведены типичные параметры  пленочных конденсаторов. Из таблицы можно сделать следующие общие выводы:

 

Таблица 5.3

Диэлектрик	e	С0, нФ/см2	Диэлектрик	e	С0, нФ/см2
GeO	10-12	5-15	Ta2 O5	20-22	50-200
SiO	5-6	5-10	Sb2 S3	18-20	10-15
SiO2	4	20	Паста	-	4-10
Al2 O3	8	30-40

Примечание: паста используется в толстопленочных  ГИМС.

- удельные  емкости пленочных конденсаторов  (при надлежащем выборе диэлектрика) в несколько раз превышают удельную емкость МОП-конденсаторов и тем более диффузионных конденсаторов;

- максимальные  емкости пленочных конденсаторов  могут быть на несколько порядков  больше, чем емкости полупроводниковых  конденсаторов, главным образом  благодаря большей площади (поскольку площадь подложек ГИМС значительно превышает площадь кристаллов полупроводниковых ИС).

Для высокочастотных  тонкопленочных конденсаторов оптимальным диэлектриком является моноокись кремния, а также моноокись германия.

Следует заметить,  что в последнее  время, в связи с наличием миниатюрных  дискретных конденсаторов (в том  числе с весьма большой емкостью - до нескольких микрофарад), наблюдается тенденция к отказу   от пленочных   конденсаторов и замене их навесными конденсаторами.

 

5.4 Катушки  индуктивности

 

  Как уже отмечалось, возможность  осуществлять катушки индуктив- ности методами микроэлектроники является одним из достоинств пленочной технологии. Такие катушки представляют собой плоские спирали, обычно прямоугольной конфигурации (рисунок 5.4). Для уменьшения сопротивления в качестве материала используется золото. Ширина металлической полоски составляет 30-50 мкм, просвет между витками 50-100 мкм. При таких.

 геометрических размерах удельная  индуктивность лежит в диапазоне  10-20 нГн/мм², т. е. на площади 25 мм² можно получить индуктивность 250-500 нГн.

Добротность катушек индуктивности, например, на частоте 100 МГц может иметь значение Q ³ 50. В отличие от добротности конденсатора добротность катушки возрастает с увеличением частоты. Поэтому пленочные катушки могут      успешно работать в диапазоне

             Рисунок 5.4                                         сверхвысоких частот

 

(СВЧ), при  частотах 3-5 ГГц. При этом число  витков составляет 3-5.

В связи с разработкой микроминиатюрных проволочных катушек применение пленочных катушек, особенно на частотах менее 50 - 100МГц ограничивается и предпочтение, как и в случае конденсаторов, отдается навесным компонентам.

 

5. Пленочные проводники и контактные площадки

 

Для электрического соединения различных  элементов микросхем на одной  подложке применяют пленочные проводники. Для этой цели требуются материалы  с высокой проводимостью и  хорошей адгезией к подложке.  Контактные площадки служат для подсоединения  навесных компонентов схемы и  внешних выводов с помощью  пайки или сварки.

Для напыления проводников в основном применяют золото, медь или алюминий толщиной 0,6-0,8 мкм. Для улучшения  адгезии проводящих пленок напыляют тонкий подслой хрома или нихрома  толщиной 0,01-0,03 мкм. Для защиты поверхности  проводящих пленок от окисления применяют  покрытие из никеля или золота толщиной 0,05-0,1 мкм.   

 

6. Навесные компоненты

 

В качестве навесных компонентов используются бескорпусные диоды и транзисторы, диодные и транзисторные матрицы, полупроводниковые ИМС, а также  резисторы, конденсаторы и катушки  индуктивности номиналы которых  невозможно выполнить в пленочном  исполнении.

 

7. Методы формирования  заданной конфигурации пленочных элементов.

 

Пленочные резисторы, конденсаторы, соединительные проводники, контактные площадки должны иметь определенную конфигурацию для  получения заданных номиналов и  выполнения конкретных функций. Изготовление толстопленочных элементов описано  в [  ]. Заданную конфигурацию тонкопленочных элементов можно получить различными методами: свободной маски, контактной маски, фотолитографии и др.

 

1. Метод свободной маски.

 

       Он основан на экранировании части подложки от потока частиц напыляемого вещества с помощью специально изготовленной свободной маски (рисунок 5.5а и б). Свободная маска представляет собой

 Рисунок 5.5

тонкий экран (0,1 мм), выполненный из стали, бериллиевой бронзы или других материалов, с отверстиями, очертание и расположение которых соответствует желаемой конфигурации пленочных элементов. Достоинством этого метода является то, что маска может использоваться многократно (до 20 раз). К недостаткам следует отнести: во-первых, в процессе напыления происходит напыление на маску, что меняет её толщину и ширину отверстий, а также подпыление (проникновение материала пленки под маску). Это снижает точность размеров элементов и их номиналов. Поэтому периодически требуется очистка масок. Во-вторых, металлические маски мало пригодны при катодном и ионо-плазменном напылении, так как металл искажает электрическое поле, а это тоже приводит к снижению точности элементов.

 

2. Метод контактной маски.

 

Контактная  маска изготовляется непосредственно  на подложке и держится на ней благодаря  адгезии. Материал маски (медь, алюминий, никель, фоторезист) должен выдерживать  условия нанесения материала  тонкой пленки, не испаряясь и не взаимодействуя химически с этим материалом и легко удаляться  с подложки способами, не влияющими  на свойства материала тонкой пленки. На подложку с контактной маской (рисуноу 5.5в) наносят слой материала, из которого будут формироваться тонкопленочные элементы. Если теперь на полученную заготовку  воздействовать травителем или растворителем  для материала маски, то маска, удаляясь с подложки, увлекает с собою и  лежащие на ней участки слоя напыленного  материала. И он остается только на тех местах, где  был нанесен  непосредственно на поверхность  подложки (рисунок 5.5г).