Розрахунок кремнієвого діода
Запорізький національний технічний університет
Кафедра мікро- та наноелектроніки
Курсовий проект
з дисципліни
«ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ»
«Розрахунок кремнієвого діода»
Розробила:
ст. гр. РП-318 Ю.С.Коваленко
Керівник:
доктор фіз.-матем. наук, професор В.М. Матюшин
Запоріжжя 2011
Запорізький національний технічний
університет
Кафедра Мікро- та наноелектроніки
Дисципліна Технологічні основи електроніки
Спеціальність Мікроелектроніка та напівпровідникові прилади
Курс 3 Група РП-318 Семестр 6
Завдання
на курсовий проект студентові
Коваленко Юлія Сергіївна
1. Тема проекту: «Розрахунок кремнієвого діода»
2. Термін здачі закінченого
3. Вихідні данні до проекту: Варіант №20
Матеріал – кремній(Si); дифузант – індій(In); джерело дифузанта – In2O3 (застосовується для дифузії); спосіб дифузії: у евакуйованій ампулі; параметри і особливості дифузії: TSi=1000¸1300 0C , C0=1017¸1019 см-3; коефіцієнт дифузії: ; енергія активації: ; поверхнева концентрація: ; діаметр кристала : мм.
4. ЗМІСТ розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх необхідно розробити): джерела домішок для проведення дифузійного легування кремнію,тверді джерела дифузії, технологія дифузії домішок у кремнії; визначення коефіцієнту дифузії; визначення глибини залягання p-n-переходу; визначення градієнта концентрації домішки у p-n-переході; ВАХ для тонкого p-n-переходу; розрахунок топології і визначення структури діоду; розрахунок топології і визначення структури діоду; технологічний процес.
5. Перелік графічного матеріалу(з точним зазначенням обов’язкових креслень):
6. Дата видачі завдання: 31.01.2011 р.
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№ пор. |
Назва етапів курсового проекту |
Термін виконання етапів курсового проекту |
Примітка |
1 |
Підбір літератури |
||
2 |
Складання літературного огляду |
||
3 |
Вивчення методики розрахунку |
||
4 |
Розрахунок параметрів |
||
5 |
Оформлення роботи |
Студент _________________ Коваленко Юлія Сергіївна
Керівник_________________
2. Розрахунок технологічних параметрів дифузійного p-n-переходу
2.1 Завдання та початкові умови
Матеріал, з якого виготовлений підшарок – кремній (Si);
Дифузант – індій(In);
Джерело дифузії – In2O3 (застосовується для дифузії);
Метод дифузії: З рідкого джерела;
Спосіб дифузії: у евакуйованій ампулі;
Дифузія відбувається при температурі кремнію TSi=1000¸1300 0C;
Дифузія відбувається при поверхневій концентрації C0=1017¸1019 см-3;
Розміри кристала d=1,9мм
Тепловий опір корпусу RT=65 м2×К/Вт
Температура корпусу Ткорп =320С
2.2 Визначення температури дифузії
Температура дифузії визначається з двох параметрів, по перше, вона повинна бути хоча б на 1000С менша за температуру плавлення речовини, в яку відбувається дифузія (для кремнію Тпл=14150С), для збереження кристалічної структури підкладки, по друге, вона повинна бути такою, щоб забезпечити коефіцієнт дифузії см2/с.
Для знаходження потрібної температури скористаємося формулою:
, (2.1)
де .
Знаходимо, що , а .
Отже, Т=13000С.
2.3 Визначення поверхневої
Поверхнева концентрація дифузанта визначається з двох факторів:
- як концентрація атомів домішки в нескінченно тонкому поверхневому шарі;
- із ретроградних діаграм залежностей максимальних поверхневих концентрації домішки, що може бути розчинена у кремнії без його руйнування, від температури дифузії.
З ретроградних діаграм приймаємо C0=1*1019 см-3.
2.4 Визначення дифузійного профілю
Оскільки при дифузії фосфору з рідкого джерела на поверхні кремнієвих пластин буде утворюватися фосфоросилікатне скло, що буде неперервно підживлюватися фосфором з газу-носія, то джерело дифузанта будемо вважати таким, що не зазнає виснаження, і буде описуватись інтегралом похибок (функцією ).
Час дифузії t приймаємо рівним 2 год (7200 с).
Концентрацію домішки в базі приймаємо рівною CБ=1*1016см-3.
Виходячи з вищевказаного, функція залежності концентрації домішки від глибини залягання шару має вигляд:
(2.2)
За даною залежністю у системі MathCad 14 був побудований графік розподілу концентрації домішкових атомів у нескінченно тонких шарах напівпровідника від глибини залягання цих шарів, що зображений на рисунку 2.1
Рисунок 2.1 – Графік розподілу концентрації домішкових атомів у напівпровіднику від глибини залягання шару
2.5 Визначення глибини залягання ЕДП
Для визначення глибини залягання ЕДП скористаємося чисельним розв’язком рівняння:
(2.3)
Це рівняння розв’язуємо методом ітерації, для початкового значення ітераційного процесу x=1,2∙10-5 м, отримуємо значення глибини залягання ЕДП xЕДП=9,6721мкм.
2.6 Розрахунок
градієнту концентрації
Визначається як похідна від функції розподілу у точці перетині кривої С(x) з прямою CB.
2.7 Розрахунок ВАХ для тонкого ЕДП переходу проводимо з наступних припущень:
- носії заряду (дірки й електрони) рекомбінують тільки один з одним;
- в усіх точках кристала, які не лежать усередині переходу, об’ємний заряд дорівнює нулю;
- перехід працює в області малих сигналів, тобто концентрація неосновних носіїв заряду мала порівняно з концентрацією основних носіїв;
- генерацією і рекомбінацією усередині області об’ємного заряду нехтуємо, вважаючи цю область достатньо вузькою, а час прольоту в ній – достатньо малим;
- розглядається одномірний випадок розповсюдження носіїв заряду тільки вздовж осі х;
- розглядається стаціонарна задача, тобто .
Концентрація власних НЗ у кремнії, як відомо, дорівнює 1,6∙1016см-3.
Час життя ННЗ в базовій області приймаємо рівним 75 мкс.
Згідно з [11] рухливості електронів і дірок залежать від концентрації і температури, для 350С та C0=1*1019см-3 і CБ=1*1016см-3 графічно визначаємо рухливості: μn=1500 см2/(В∙с), μр=600 см2/(В∙с).
Для подальшого розрахунку отримуємо наступні дані:
- коефіцієнти дифузії: Dn=39,867 см2/с, Dp=15,947 см2/с;
- довжини дифузійного пробігу: Ln=0.05468 см, Lp=0.03458 см;
- концентрації домішок у емітерній і базовій областях відповідно Nd=1*1016см-3 і Na=1*1013см-3;
- концентрації ОНЗ у емітерній і базовій областях відповідно n=9,99*1015 см-3 і p=2,1763∙1013 см-3.
Струм насичення переходу рівний:
За розрахованими даними та рівнянням Шоклі(2.6) розраховуємо залежність густини зворотного струму діода від зворотної напруги (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 - Залежність густини зворотного струму діода від прикладеної напруги
Визначена структура діода – планарна.
За наближеними оцінками площа ЕДП складає: S=7,734∙10-14см2.
За отриманими даними будуємо пряму гілку ВАХ ЕДП, що зображена на рисунку 2.3.
Рисунок 2.3 Пряма гілка ВАХ діода
У системі MathCad 14 за допомогою трасування визначаємо точку на лінійній ділянці:
U=1,0785 В;
I=0,24 A.
Звідки P=0,25884Вт.
Для діодів з потужністю від 0,1 Вт до 1 Вт скляний корпус використовувати не можна через високий тепловий опір. В цьому випадку використовують металево скляний корпус.
На рисунку 2.5 зображена конструкція металево скляного корпусу, яка включає у себе два металевих тримача, скляну трубку та дві перехідні коварові втулки. Послідовність операцій створення корпусу полягає в попередньому виготовленні скляного балона корпусу, що являє собою з’єднання на основі метало скляних спаїв трубки зі скла С-49-2 та двох втулок зі сплаву 29НК. Металеві втулки служать для центрування тримачів та їх кріплення при кінцевій збірці корпусу приладів. Тримачі кристалу виводу представляють собою відрізки проволоки різного діаметру, з’єднані між собою ударною конденсаторною стиковою сваркою. Кінцеву герметизацію корпусу проводять пайкою в конверторній печі в атмосфері водню. В якості припою використовують ПОС-61 у вигляді штампованих кілець.
Рисунок 2.4 – Структура діода виготовлена за планарною технологією
Розглянута конструкція метало скляного корпусу широко використовується у виробництві напівпровідникових приладів.
Переваги:
- більш висока потужність розсіювання (порівняно зі скляним корпусом);
- більш висока надійність спаю металу зі склом.
Недоліки:
- наявність на заключному етапі
збірки приладу процесу пайки
з використанням флюсу (
Рисунок 2.5 Конструкція металоскляного корпусу діода
1 – скляна трубка;
2 – коварові втулки;
3 – вивід;
4 – припій.
3 Технологічний процес
3.1 Розрізання злитків на пластини відбувається алмазним диском з внутрішньою ріжучою кромкою. Процес проводити при наступних умовах:
- частоті обертання шпинделя 3500-4000 об/хв.;
- швидкість подачі злитку 60-80мм/хв.;
- охолоджуюча рідина – 3,5% водний розчин кальцинованої соди або рідина НИИАЛМАЗа;
- подача охолоджуючої рідини відбувається з верху у низ безпосередньо на ріжучу кромку зі швидкістю 3-4 л/хв;
- розрізання проводити на
Рисунок 3.1 Схема розрізання злитків на пластини алмазним диском з внутрішньою ріжучою кромкою
1 - шпиндель;
2 – диск з алмазною ріжучою кромкою;
3 – злиток;
4 – тримач злитка;
5 – відрізана пластина;
6 – збірник.
3.2 Шліфовка. Шліфування відбувається на твердих доводочних дисках-шліфувальниках абразивними мікро-порошками. Зернистість мікро-порошків для шліфування пластин беруть таку: при попередньому шліфуванні – від М14 до М10, а при кінцевому – від М7 до М5. це дасть можливість отримати 9-12-й клас чистоти обробки.
Шпиндель обертається зі швидкістю 15000-18000 об/хв.;
Проводити на станку ШП-200;
Час шліфовки 4-6 с.
3.3 Поліровка пластин Далі
1 етап – попередня поліровка:
- на скляний диск наносять
допоміжний порошок АСМ3 та
кілька крапель масла для
- обробку проводять на швидкості 30-40 об/хв..
- проводити на станку ШП-200.
2 етап – проміжна обробка:
- на скляний диск накласти м’який матеріал (велюр), змочений горячою водою або спиртом;
- на поверхню
велюру нанести алмазний
- обробку проводити при 25-30 об/хв.;
- проводити на станку ШП-200.
3 етап – остаточна обробка:
- матеріал –полірувальник – батист;
- абразивний матеріал – оксид хрома, оксид кремнію, оксид цирконію;
- частота обертання 80-90 об/хв.;
- проводити на станку ШП-200.
3.4 Знежирення. Знежирення проводиться за допомогою фреону-113 (CClF3), речовини з температурою кипіння 47,6˚С і густиною 1,57 г/м3. Він не горить, не токсичний, забезпечує високу ефективність очистки і дозволяє відмовитись від наступних операцій промивки в де-іонізованій воді.
3.5 Сушіння. Після промивки пластини сушать у термостаті або під інфрачервоною лампою при температурі 120 – 150 оС.
3.6 Фотолітографія
3.6.1 Нанесення фоторезисту
відбувається за допомогою
Використовувати фоторезист ФП-РН-7.
3.6.2 Сушіння проводиться
для повного видалення
Проводити на установці для інфрачервоної сішки УИС-1 на протязі5-7 хв..
3.6.3 Формування фото-маски. Скрите зображення фото-маски в шари фоторезисту досягається експонуванням фоторезисту через груповий фотошаблон.
Експонування фоторезисту проводити на спеціальній установці для суміщення та експонування ЄМ-512.
3.6.4 Проявлення фоторезисту.
Воно полягає в розчиненні неза
3.6.5 Зтравлення захисного слою. Травники розчинюючи даний шар, неповинні діяти на нижче лежачий матеріал основи. Швидкість (час) травлення повинна бути погоджена з товщиною фото-маски, щоб забезпечити їй необхідну стійкість
3.7 Дифузія. Проводиться в однозонній печі, яка представлена на рисунку 1.2, при температурі 1210,80С. В якості елемента, що виступає дифузантом, є фосфор (Р).
Температура в робочій зоні - 1210,80С.
Швидкість подачі газової суміші - 2 л/хв..
3.8 Зняття фоторезисту проводиться груповим методом шляхом занурення пластин в підігрітий розчин або розміщення їх в спеціальну камеру, де фоторезист видаляється за допомогою кисневої плазми. При цьому необхідно повністю очистити поверхню пластини від резисту.
3.9 Окислення. Проводиться у атмосфері кисню, з парами води при високій температурі.
3.10 Фотолітографія
3.10.1 Нанесення фоторезисту відбувається за допомогою центрифуги. При цьому пластину розміщують в центрі платформи центрифуги, прижимають за допомогою вакуумного насосу і приводять разом з платформою до обертання при обертанні в центр пластини наносять дозовану кількість розчину фоторезисту. Центробіжні сили вирівнюють шар фоторезисту по поверхні.
Використовувати фоторезист ФП-РН-7.
3.10.2 Сушіння проводиться для повного видалення органічного розчинника при цьому температура і час сушіння повинні виключати можливість термічного затвердіння фоторезисту.
Проводити на установці для інфрачервоної сішки УИС-1 на протязі5-7 хв..
3.10.3 Формування фото-маски. Скрите зображення фото-маски в шари фоторезисту досягається експонуванням фоторезисту через груповий фотошаблон.
Експонування фоторезисту проводити на спеціальній установці для суміщення та експонування ЄМ-512.
3.10.4 Проявлення фоторезисту. Воно полягає в розчиненні незатверділих ділянок в розчинах, на основі яких виготовлений фоторезист. Після чого проводять промивку пластин.
3.10.5 Зтравлення захисного слою. Травники розчинюючи даний шар, неповинні діяти на нижче лежачий матеріал основи. Швидкість (час) травлення повинна бути погоджена з товщиною фото-маски, щоб забезпечити їй необхідну стійкість
3.11 Травлення.
3.12 Зняття фоторезисту проводиться груповим методом шляхом занурення пластин в підігрітий розчин або розміщення їх в спеціальну камеру, де фоторезист видаляється за допомогою кисневої плазми. При цьому необхідно повністю очистити поверхню пластини від резисту.
3.13 Металізація алюмінієм. Процес металізації алюмінієм виконується за допомогою вакуумного термічного випаровування алюмінію з випаровувачів резистивного типу. Процес випаровування здійснюється на багато позиційних вакуумних установках УВН при неперервному обертанні багато позиційної каруселі з пластинами при остаточному тиску порядку 10-6 мм.рт.ст. і температурі пластин 200˚С.
3.14 Фотолітографія
3.14.1 Нанесення фоторезисту відбувається за допомогою центрифуги. При цьому пластину розміщують в центрі платформи центрифуги, прижимають за допомогою вакуумного насосу і приводять разом з платформою до обертання при обертанні в центр пластини наносять дозовану кількість розчину фоторезисту. Центробіжні сили вирівнюють шар фоторезисту по поверхні.
Використовувати фоторезист ФП-РН-7.
3.14.2 Сушіння проводиться для повного видалення органічного розчинника при цьому температура і час сушіння повинні виключати можливість термічного затвердіння фоторезисту.
Проводити на установці для інфрачервоної сішки УИС-1 на протязі5-7 хв..
3.14.3 Формування фото-маски. Скрите зображення фото-маски в шари фоторезисту досягається експонуванням фоторезисту через груповий фотошаблон.
Експонування фоторезисту проводити на спеціальній установці для суміщення та експонування ЄМ-512.
3.14.4 Проявлення фоторезисту. Воно полягає в розчиненні незатверділих ділянок в розчинах, на основі яких виготовлений фоторезист. Після чого проводять промивку пластин.
3.14.5 Зтравлення захисного слою. Травники розчинюючи даний шар, неповинні діяти на нижче лежачий матеріал основи. Швидкість (час) травлення повинна бути погоджена з товщиною фото-маски, щоб забезпечити їй необхідну стійкість
3.15 Зтравлення алюмінію можна провести як рідинним методом, так і сухим (за допомогою плазми).
3.16 Зняття фоторезисту проводиться груповим методом шляхом занурення пластин в підігрітий розчин або розміщення їх в спеціальну камеру, де фоторезист видаляється за допомогою кисневої плазми
3.17 Скрайбування та розламування пластин на кристали. Ця операція проводиться за допомогою алмазного різця, яким наносяться риски або розділяючи канавки між готовими структурами. Після цього пластини розломлюються на кристали за допомогою механічних напружень, які створюються валиком.
3.18 Розварка виводів та корпусування. Кристал напаюють на кристалоутримувач, здійснюють розводку - під'єднування електричних виводів до контактів бази, емітера і герметизують, поміщаючи в метало-скляний корпус серії КД-5.
3.19 Контроль якості. Для оцінки параметрів і надійності приладів їх надсилають у відділ технічного контролю, де проводять електричні, кліматичні та механічні випробування. Вони важливі для правильної інформації про якість і надійність приладів. Крім цього кожна технологічна операція супроводжується контролем якості обробки, наприклад вимірюванням глибини дифузії, товщину епітаксіального шару чи питомого або поверхневого опору. Після того, як в структурі створені р-n-переходи, виробляють контроль електричних параметрів - напруги пробою, струму витоку, місткості. У технологічному маршруті передбачені спеціальні контрольні карти.
ВИСНОВКИ
Діод, один з найперших напівпровідникових приладів, першим його призначенням було обмеження струму за одним із напрямків, тобто він повинен був мати випрямляючі властивості. Зараз існує багато видів діодів, що відрізняються за характеристиками, виготовленням, розмірами, формою, принципом дії. Вони використовуються у найрізноманітніших схемах, для виконання різних задач, таких як випрямлення струму (діодні, діодно-резистивні мости), стабілізації напруги (стабілітрони), генерації високочастотних електричних імпульсів (діоди Ганна), фіксування електромагнітного випромінювання (фотодіоди), генерації електромагнітного випромінювання (світлодіод, напівпровідниковий лазер), як елемент нелінійних перетворювачів (фільтрів, модуляторів, підсилювачів), і нарешті як елемент цифрових (діодні-діодна, діодні-транзисторна логіка) та цифро-аналогових (Аналогово-цифрові, цифро-аналогові перетворювачі) схем.
У даному курсовому проекті був розроблений випрямляючий, планарний, дифузійний діод, а саме розроблений технологічний маршрут, за ретроградними діаграмами обрана оптимальна густина дифузанту на поверхні зразка (C0=1*1019 см-3), отриманий розподіл густини домішки у емітерній області (рис. 2.1), розрахована глибина залягання ЕДП (xЕДП=9,6721 мкм), густина струму насичення ( ), площа ЕДП (S=7,734∙10-14 см2), отримана залежність густини зворотного струму від прикладеної напруги (рис. 2.2), пряма гілка ВАХ діода (рис. 2.3), на прямій гілці ВАХ визначена робоча точка, та обраний корпус (метало-скляний) і розроблений технологічний маршрут.
Перевагами даного технологічного маршруту є:
- простота технології та устаткування;
- технологічність;
- поширеність та відносна дешевизна матеріалів;
- досить велика надійність;
- порівняно добра контрольованість параметрів та відтворюваність;
- можливість одночасного проведення дифузії для групи пластин;
- великий вихід гідних приладів;
- тепловідвід корпусу більше 100 мВт;
- значне здешевлення при великосерійному виробництві.
ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
- Маслов А.А. Технология и конструкции полупроводниковых приборов. - М.: Энергия, 1970.
- Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных схем. - М.: Высш. шк., 1975.
- Коледова Л.А. Конструирование и технология микросхем /Под ред..-М.: Высш.шк., 1984.-232 с.
- Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок.-М.: Радио и связь, 1989.-400 с.
- Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств.-М.: Радио и связь, 1991.-528 с.
- Высоцкого Б.Ф. Основы проектирования микроэлектронной аппаратуры /Под ред..-М.: Сов.радио, 1987.-352 с.
- Штернов А.А. Физические основы конструирования, технологии РЭА и микроэлектроники.-М.: Радио и связь, 1981.-248 с.
- Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА.-М.: Сов.радио, 1979.-352 с.
- Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. – М.: Радио и связь, 1987. –464 с.
- Интегральная схема [Электронный ресурс]. – М. : Википедия свободная энциклопедия, 2007.– Режим доступу: http://ru.wikipedia.org/wiki/
Интегральная_схема - Готра З.Ю.Диффузионное легирование в современной технологии кремниевых ИС//. Зарубежная электронная техника; Осадчук В.В., Кучмий Г.Л. – 1990.-№ 5(348). – с. 5 – 63.
- Богдановский Ю.Н. Твердые планарные источники для диффузии в технологии полупроводниковых приборов и ИС // Зарубежная электронная техника; Гасько Л.З., Коледов Л.А., Пих В.С. – 1982.-№ 8(254),-с.60 – 90.
- Малышева И.А. Технология производства интегральных микросхем: Учебник для техникумов.- 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1991. – 344 с.
- Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов. –М.: Пресс Ф.П. Энергия, 1974. – 384 с.
- Бургера Р. Основы технологии кремниевых интегральных схем. Окисление. Диффузия. Эпитаксия. Пер. с англ. под ред. В.Донована. – М.: Мир, 1969. – 452 с.
- Гук Е.Г. Фоторезисты-диффузанты в полупроводниковой технологии; Ельцов А.В., Шуман В.Б., Юрре Т.А.. – Л.: Наука, 1984. –118 с.
- Евсеев Ю.А. Полупроводниковые приборы для мощных высоковольтных преобразовательных устройств. – М.: Энергия, 1978. – 192 с.
- Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Высшая школа, 1980. – 327 с.
- Аппен А.А. Химия стекла. – Л.: Химия, 1970. – 300 с.
- Таиров Ю.М., Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов; Цветков В.Ф. – М.: Высшая школа, 1990. – 423 с.
- Лазарев И.В. Вредные вещества в промышленности. Спровочник для химиков, инженеров и врачей. Под общ. ред.. – М.-Л.: Химия, 1965, т.2.– 622 с.