elektronski fakultet niš katedra za...

UvodOsnove tehnologije

Dioda u planarnoj tehnologiji

Osnove mikroelektronike

Z. Prijic T. Pešic

Elektronski fakultet NišKatedra za mikroelektroniku

Predavanja 2006.

Z. Prijic, T. Pešic Osnove mikroelektronike



Sadržaj1 Uvod

Fundamentalna otkricaVakuumske ceviPrvi tranzistor

2 Osnove tehnologijeDobijanje supstrata

Rast kristalaEpitaksija

Dopiranje silicijumaDifuzijaJonska implantacija

Oksidacija i depozicijaFotolitografija

3 Dioda u planarnoj tehnologijiProcesiranjePakovanje





Sadržaj1 Uvod











Osnove elektromagnetizma1839.-1855.

Michael Faraday

Svaka promena u vremenu magnetnog polja u kalemuindukovace pojavu elektromotorne sile na njegovim krajevima.





Teorija elektromagnetizma1864.

James Clerk Maxwell





Radio talasi1886.

Heinrich Rudolf Hertz





Elektricna sijalica1879.

Thomas Alva Edison





X-zraci1895.

Wilhelm Conrad Röntgen





Otkrice elektrona1897.

Joseph John ThomsonCavendish LaboratoryUniversity of Cambridge

Eksperimenti na katodnim cevimaVakuumske cevi





Komercijalni radio1901.

Guglielmo Marconi





Sadržaj1 Uvod











Vakuumska dioda I1905.

John Ambrose Fleming

Aktivna komponentaUsmeracka svojstva





Vakuumska dioda II1905.

vlakno (katoda)

anoda Zagrevanjem vlakna dolazi doemisije elektrona sa katode injihovog kretanja ka pozitivnopolarisanoj anodi. Na taj nacinse stvara elektricna struja. Pro-vodenje je moguce samo u jed-nom smeru.





Vakuumska trioda I1906.

Lee De Forest

Pojacavacke i prekidacke osobineUpotreba u radio-tehnici: prijemnici, oscilatori





Vakuumska trioda II1906.

grejač

anoda

rešetka

katoda

Dovodenjem napona na trecuelektrodu (rešetku), koja je ne-gativno polarisana u odnosu nakatodu, moguca je modulacijasignala. Katoda se zagreva in-direktno, pomocu grejaca.





Prve aktivne komponente

Rucna izrada





Prvi proizvodi1907.





Komercijalna elektronika1930.-1940.





II svetski ratintenzivni razvoj

Tetrode, pentodeRadari, pojacavaciVHF komunikacijaPrijemne i predajne ceviKomercijalna televizija (1941.)Racunske mašine





Elektricne karakteristike

Anodni napon UA (V)

0 100 200 300 400 500

Anod

na s

truja

I A (m

A)

0

50

100

150

200

250

300

350Ug - napon rešetke

Ug1

Ug2

Ug3





Primena danas

Vrhunski audio pojacavaciGitarska pojacalaRadarska tehnikaMedicinska tehnikaKomponente snageVojne primene





Nedostaci

GabaritiDisipacija snageOgranicen radni vek, zbog toga što se emisioni sloj nakatodi trošiZa stabilan rad potrebni su visoko kvalitetni izvorinapajanja





Sadržaj1 Uvod











Efekat polja u poluprovodnicima1925.

Julius Edgar Lilienfeld

Poluprovodnici su izucavani od 1830.Primenom elektricnog polja na poluprovodnik moguce jemenjati njegovu elektricnu provodnost na mestima gde je ukontaktu sa metalom.Lilienfeld je patentirao FET (Field Effect Transistor),MESFET (Metal Semiconductor FET), kao i MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET).





Usmeracka svojstva kontakta metal-poluprovodnik1938.

Walter Schottky

Konstruktor prve tetrode 1919.Postavio teoriju šuma u vakuumskim cevima.Objasnio uticaj defekata na provodnost poluprovodnika.





Organizovani pristup1945.

U Bell laboratorijama je osnovana grupa za izucavanjeosobina poluprovodnika.Cilj istraživanja je bila zamena vakuumskih cevi utelefonskim centralama.Istraživanja su se zasnivala na efektu polja.1946. su kao materijali odabrani germanijum i silicijum.Zakljucak je bio da nesavršenost površine poluprovodnikarezultira zarobljenim naelektrisanjima koja prouzrokujuprekid linija elektricnog polja, onemogucavajuci na tajnacin dobijanje ocekivanog pojacanja signala.





Otkrice tranzistora1947.

Tranzistor sa tackastim kontak-tom: Na kristal germanijumanaparene su dve tacke zlata,formirajuci na taj nacin spo-jeve metal-poluprovodnik. Je-dan spoj je direktno polarisan iprimeceno je strujno pojacanje.





PronalazaciWilliam Shockley, John Bardeen, Walter Brattain





Teorija i eksperimenti1948.-1950.

Shockley razvija teoriju pn spoja i tranzistora, uvodecipojmove manjinskih i vecinskih nosilaca.Realizuje se pnp tranzistor u obliku sendvic strukture.Primena legure fosfor-bronza na dve stranegermanijumske plocice debljine 0,01cm daje izvanrednopojacanje.Definišu se pojmovi pokretljivosti i vremena života nosilaca.Razvijaju se tehnike dopiranja poluprovodnika.





Silicijum na niskim temperaturamaNema slobodnih nosilaca





Silicijum na sobnoj temperaturiKoncentracija slobodnih nosilaca ni ≈ 1, 5 · 1010 cm−3





Silicijum n-tipDopiranje fosforom - donori





Silicijum p-tipDopiranje borom - akceptori





Dobijanje pn spojaSpoj narastanjem (grown junction)

Grown junction

p-type melt Melt changedto n-type

P

N

Grown junctiondevice





Dobijanje tranzistoraTranzistor dobijen narastanjem pn spojeva





Dobijanje pn spojaSpoj legiranjem (alloy junction)

Alloy junction

Pallet ofp-type silicon

n-type silicon Alloying oven Alloy junction

Recrystallizedp-type region

PN





Dobijanje tranzistoraTranzistor dobijen legiranjem pn spojeva - šematski prikaz

Indium

Single crystaln-type

geranium

Collectorlead

p-type

Emitterlead

p-type

Baselead

Indium




Dobijanje supstrataDopiranje silicijumaOksidacija i depozicijaFotolitografija

Sadržaj1 Uvod











Rast kristalaPolazni materijal je kristal silicijuma

Cistoca kristala je veca od 99,999999%.Tokom narastanja kristala kontrolisano se unose primese pili n tipa.Struktura je monokristalna.Ako je koncentracija primesa veca od 1018cm−3 kaže seda je silicijum jako dopiran i tada se oznacava sa n+ ili p+.





Obrada kristalaKristal se dobija u obliku šipki

Ingot - Šipka precnikanekoliko desetina cm idužine 1÷ 2m.

Wafer - Plocicadebljine 400÷ 600µm,cija se gornja površinamehanicki polira dosjaja ogledala.





EpitaksijaNarastanje sloja monokristalnog silicijuma na supstratu

Hemijski proces tokom koga se na supstratu narasta slojdopiranog monokristalnog silicijuma.Proces se odvija u epitaksijalnim reaktorima, natemperaturama 1000÷ 1200◦C. Primese se do plocicatransportuju gasnim protokom.Kontrola procesa ostvaruje se promenom vremenaepitaksije, temperature epitaksije, kao i vrstom i protokomprimesnih gasova kroz reaktor.Tipicna debljina epitaksijalnih slojeva je od nekoliko µm donekoliko desetina µm.





EpitaksijaEpitaksijalni sloj karakterišu debljina wepi i koncentracija primesa Nepi

n -epi

n+

epitaksijalni sloj

supstrat

Nepi = 1015cm-3

Nsub = 1018cm-3x

0

wepi





Sadržaj1 Uvod











DifuzijaKontrolisano unošenje primesa u silicijum

Unošenjem primesa p ili n tipa menja se otpornostsilicijuma, kao i njegov "tip".Proces se odvija u difuzionim pecima, na temperaturama900÷ 1200◦C. U peci se nalazi 10÷ 20 plocica (lot).Primese se do plocica transportuju gasnim protokom.Kontrola procesa ostvaruje se promenom vremena difuzije,temperature difuzije, kao i vrstom i protokom transportnihgasova kroz difuzionu pec.





DifuzijaPrimese se mogu difundovati sa obe strane plocice

p+

n

n+

x

0

w





Karakteristike pn spojaProfil primesa karakterišu dubina i površinska koncentracija

[�� P��

|1 '�1 $| ��

FP��

��

xlhxj w

p+ n n+

ND i NA sukoncentracije donora iakceptora,respektivno.xj i xlh su dubine pn inn+ spoja,respektivno (lh je odengl. "low-high").





TranzistorŠematski prikaz prvog tranzistora sa difundovanom bazom

25 µm

50 µm

Collector

Goldstripe

Aluminumstripe

Emitter

Base





Jonska implantacijaPovršina silicijuma se bombarduje primesnim jonima

Primesni joni se ugraduju u kristalnu rešetku silicijumaneposredno ispod njegove površine.Proces se odvija u jonskim implanterima, na sobnojtemperaturi.Kontrola procesa ostvaruje se promenom energije i dozeimplantiranih jona.Nakon implantacije vrši se elektricna aktivacija primesatermickim tretmanom (difuzijom).Omogucena je precizna kontrola profila primesa.





Sadržaj1 Uvod











Oksidacija silicijumaSilicijum dioksid

Izlaganjem plocice silicijuma atmosferi kiseonika na njenojpovršini se stvara sloj silicijum dioksida (SiO2).Proces se odvija u difuzionim pecima, na temperaturama850÷ 1150◦C.Brzina narastanja oksida zavisi od toga da li je u atmosferiprisutan samo kiseonik (suva oksidacija) ili ima i vodonika(mokra oksidacija).Debljina oksida zavisi od sastava atmosfere, temperature ivremena trajanja procesa.





DepozicijaHemijski proces nanošenja sloja jednog materijala na drugi

Na Si ili SiO2 može se deponovati Al, Au, Pt, Si3N4 i drugimaterijali. Moguce je stvaranje i sendvic struktura.Proces se odvija u depozicionim reaktorima, natemperaturama 500÷ 850◦C. Ako se deponuje silicijum, onnarasta u polikristalnom obliku (poly-Si)1.Debljina deponovanog sloja zavisi od reaktanata,temperature i vremena trajanja procesa.Deponovanje metala naziva se metalizacija.

1Epitaksija je depozicija na visokoj temperaturi, kada narastamonokristalni silicijum.





Sadržaj1 Uvod











Fotolitografski postupakMaska sprecava polimerizaciju fotorezista pod dejstvom svetlosti

SiO2

supstrat

fotorezist

maska

svetlost





Fotolitografski postupakPolimerizovani fotorezist se hemijski nagriza

SiO2

supstrat

fotorezist





Fotolitografski postupakSiO2 se hemijski nagriza

SiO2

supstrat

fotorezist





Fotolitografski postupakFotorezist se hemijski uklanja

SiO2

supstrat




ProcesiranjePakovanje

Sadržaj1 Uvod











Maskirna svojstva oksidaSiO2 služi kao maska za prodor primesa - 1955. godine

Diffusion SiO2

N

Grow SiO2 overn-type silicon

P-type impurities

N

Etch windows in SiO2and diffuse p-type impurities

SiO2p-type

N

Diffused junction

SiO2





MetalizacijaMetal se deponuje preko cele površine plocice i fotolitografskim postupkom uklanjavišak

n - supstrat

p - difuzija

SiO2

metal (Al)





Deponuje se zaštitni oksidCVD - Chemical Vapour Deposition

n - supstrat

p - difuzija

SiO2

metal (Al)

zaštitini oksid (CVD)





Metalizacija zadnje straneKoristi se aluminijum, uz dodatak Ti i/ili Ni

n - supstrat

p - difuzija

SiO2

metal (Al)

zaštitini oksid (CVD)

metal





Otvor za kontaktFotolitografskim postupkom se definišu kontakti

n - supstrat

p - difuzija

SiO2

metal (Al)

CVD

metal

kontakt





Procesirana plocicaSvaki pelet predstavlja jednu diodu

pelet

ulica





Elektricno testiranjeNeispravni peleti se obeležavaju crvenim mastilom

pelet

ulica

neispravan





Plocica se sece duž ulicaIspravni peleti postaju cipovi, a neispravni se odbacuju





Sadržaj1 Uvod











Cipovima se dodaju spoljašnji izvodiIzvodi su od metalne žice, a proces se obavlja ultrazvucnim legiranjem i na engleskomse naziva bonding

n -

supst

rat

p -

difuzi

ja

SiO

2

met

al (

Al)

CV

D

met

al

izvod izvod





EnkapsulacijaKucišta mogu biti keramicka, staklena i plasticna (hermeticnost se podrazumeva)

n -

supst

rat

p -

difuzi

ja

SiO

2

met

al (

Al)

CV

D

met

al

izvod izvod





Elektricno testiranje i obeležavanjeOznake mogu ukljucivati proizvodaca, tip kucišta, klasu komponente, itd.

n -

supst

rat

p -

difuzi

ja

SiO

2

met

al (A

l)

CV

D

met

al

1N40

01

traka obeležava katodu !

oznaka tipa


elektronski fakultet niš katedra za...

Documents