1

MASARYKOVA UNIVERZITA

Přírodovědecká fakulta Ústav fyziky kondenzovaných látek

FYZIKA POLOVODIČŮ

Předmluva k učebním textům

Vladimír Strakoš

Brno 2012

2

Úvod ke skriptům a pár slov k historii polovodičové techniky.

Polovodičová technika a především nové znalosti v této oblasti zaznamenaly v posledních 50 až 70

letech obrovský nárůst. Dá se proto říci, že druhá polovina dvacátého století je érou polovodičů.

Publikovány byly tisíce prací a patentů. Tento trend nekončí a bude i nadále pokračovat. Při přípravě

studijních textů je třeba vyřešit otázku na co se zaměřit, aby text byl stále aktuální a přinesl i

v budoucnosti nezbytné informace, bez kterých lze jen těžko pochopit principy polovodičových

součástek. Zde se nabízí analogie s vývojem lidského embrya, které odráží skutečný vývoj živých

organismů v horizontu miliónů let. Vývoj začíná rýhováním mateřské buňky, jejím dělením, pak

nabývá forem připomínajících organizmus plazů, ptáků až do konečné podoby dnešního lidského

embrya. Nedochází zde k přeskočení základních vývojových fází. Při studiu polovodičové

problematiky rovněž nelze přeskočit celou polovodičovou historii a věnovat se jen aktuální

problematice. Je třeba čerpat z těch poznatků, které mají obecnou, trvalou platnost a dají se aplikovat

také na jevy, které přicházejí s aktuálními problémy nových technologií a které je nutné analyzovat.

Předkládané učební texty mají následující členění:

V prvním dílu „Fyziky polovodičů – Přechod PN“, kterou zpracoval Ing.Radomír Lenhard, CSc.

Je uveden přehled elementárních veličin a vztahů mezi nimi, bez kterých lze jen velmi těžce pochopit

principy polovodičových součástek popisovaných v dalších dílech skript. Tento díl je rozdělen do

devíti kapitol. Detailně jsou zde vysvětleny pojmy a výhody konceptu dvou typů nosičů elektronů a

děr a jejich chování se v energetickém pásovém diagramu. Koncept energetických stavů v pásovém

diagramu a jejich obsazování nosiči řízené statistickou Fermi-Diracovou rozdělovací funkcí pomáhá

pochopit problematiku elektrostatických jevů zvláště pak v okolí přechodu PN, ale také dynamických

transportních jevů. Vysvětleny jsou pojmy jako generace a rekombinace a následně pak pohyblivost,

drift a difúze nosičů, které jsou nezbytné pro studium nerovnovážných jevů v polovodičích. Značná

pozornost je věnována teorii přechodu PN. Řešení Poissonovy rovnice dává jednoduchý nástroj pro

nalezení závislosti jak elektrický náboj ovlivňuje rozložení elektrického pole a elektrického

potenciálu. Velmi podrobně jsou popsány průrazné mechanismy a proudová bilance přechodu PN.

Závěrečná kapitola prvního dílu je věnována popisu fotovoltaického článku. Detailní analýza

přechodu PN je dobrým a potřebným odrazovým můstkem pro studium principů složitějších

polovodičových součástek jako jsou bipolární a unipolární tranzistory. Těm jsou věnovány další díly

skript.

V druhém dílu „Fyziky polovodičů – Bipolární tranzistor“, Ing. Radomíra Lenharda, CSc. jsou

v šesti kapitolách zpracována nejdůležitější témata teorie bipolárních tranzistorů. V první kapitole je

vysvětlen princip činnosti bipolárního tranzistoru a uvedeny jsou definice základních parametrů.

V druhé kapitole je popsán klasický model bipolárního tranzistoru na základě obecné fyziky

polovodičů jako je rovnice kontinuity, rovnice Poisonovy, Einseteinova vztahu, difúzních a driftových

složek proudů atd. Následující třetí kapitola přináší rozšíření klasického modelu bipolárního

tranzistoru. Zavádí možnost pracovat s obecnými koncentračními profily v emitoru a v bázi,

zohledňuje vliv silné injekce, dále modulace vodivosti báze (Websterův efekt), proudový crowding

efekt v bázi, vliv rozšiřování báze (Kirkův efekt), zúžování neutrální báze (Early efekt), vliv vysoké

koncentrace příměsí, zvláště pak zúžení šířky zakázaného pásu. Čtvrtá kapitola je věnována mezním

hodnotám napětí, především různým typům napěťových průrazů. Popsány jsou také saturace a

kvasisaturace. Pátá kapitola rozebírá vysokofrekvenční vlastnosti bipolárního tranzistoru, uveden je

3

také přehled základních mechanizmů šumu. Poslední šestá kapitola rozebírá parazitní prvky

v bipolárních tranzistorech realizovaných v integrovaných strukturách a způsob jejich měření.

Ve třetím dílu„Fyziky polovodičů-Unipolární tranzistor MOSFET“Ing.Vladimíra Strakoše, CSc.

jsou uvedeny čtyři kapitoly. První kapitola je věnována základní fyzice ideálního a reálného MOS

kondenzátoru včetně rozložení náboje, elektrického pole, potenciálu a pásového diagramu MOS

struktury. Dále je vysvětlen model MOS struktury respektující pevný a pohyblivý náboj, rozdíl

výstupních prací mezi hradlem a polovodičem a podmínka vyrovnání pásů. Druhá kapitola je

věnována C-V křivkám, zvláště pak jejich závislosti na tloušťce dielektrika a dotace polovodiče MOS

struktury, dále pak na frekvenci měřícího signálu, na vliv teploty a osvětlení. Vysvětleny jsou pojmy

akumulace, ochuzení, hlubokého ochuzení a inverze. Je uveden popis C-t metody v souvislosti,

generační dobou života minoritních nosičů a rozmístěním generačně-rekombinačních center

v zakázaném pásu. Součástí této kapitoly je také podrobná charakterizace nábojů v oxidu a na rozhraní

oxid – polovodič. Závěr kapitoly je věnován napěťově teplotním tj. BT testům. Třetí kapitola

pojednává o testovacích strukturách a metodách vhodných pro studium povrchových vlastností

polovodičů. Analyzovány jsou: kanálová vodivost, hradlem řízený pn-přechod, polem indukované

přechody včetně kanálových proudů, vliv povrchových efektů na průrazné napětí přechodu, prahové

napětí a další povrchové jevy. Čtvrtá kapitola je zaměřena na MOS tranzistor. Vysvětlen je princip

činnosti MOSFETu včetně odvození volt-ampérových charakteristik. Činnost tohoto tranzistoru je pro

lepší pochopení vysvětlena pomocí analogie s vodním modelem. Základní model MOS tranzistoru je

dále rozšířen o vysvětlení tzv. „body efektu“, diskutován je také vliv délky kanálu, velikost prahového

napětí a jeho nastavení, komplementární MOS tranzistory a další. V závěru jsou uvedeny různé druhy

struktur, ve kterých je používám MOSFET jako např.: CCD, CMOS, VDMOS, IGBT,...

Pojďme se podívat na zásadní pionýrské práce, objevy a teorie, které ovlivnily významně rozvoj

polovodičů v minulosti.

Již v roce 1926 německý fyzik Julius Edgar Lilienfeld patentuje princip polem řízeného tranzistoru -

viz obr1. Byl to, bohužel, jen princip, bez realizace.

Obr.1 Julius Edgar Lilienfeld a jeho koncept tranzistoru řízeného elektrickým polem.

Američan Russell Ohl v Bellových laboratořích vytvořil a jako první popsal polovodičový přechod

P-N na monokrystalickém křemíku v roce 1940. Zároveň ve stejném roce vynalezl fotočlánek, který

v roce 1941 patentoval. Oba vynálezy významně ovlivnily další rozvoj polovodičové techniky.

4

Pochopení jevů na přechodu P-N, bezprostředně přispělo k objevu bipolárního tranzistoru. Komerční

využití objevu fotočlánku nabývá teprve dnes neskutečného rozsahu.

Obr.2 Russel Ohl vytvořil první přechod P-N a vynalezl fotočlánk, které jsou znázorněny na demonstračním obrázku (uprostřed a vpravo).

Pracovníci Bellových laboratoří John Bardeen a Walter Brattain vytvořili první germaniový

hrotový tranzistor a následně William Shockley tranzistor s přechodem P-N. Bellovy laboratoře

zveřejnily objev hrotového tranzistoru v roce 1948, objev plošného tranzistoru v roce 1951.

V souvislosti s vynálezem tranzistoru získali pak v roce 1956 všichni tři Nobelovu cenu za fyziku.

Pozn.: John Bardeen získal později jako jediný vědec na světě druhou Nobelovu ceny za fyziku

společně s Leonem Neilem Cooperem a Johnem Robertem Schriefferem v roce 1972 za základní teorii konvenční supravodivosti.

Obr.3 William Bradford Shockley, Walter Hauser Brattain a John Bardeen (vpravo).

W. Shockley publikoval v roce 1950 své stěžejní dílo „Elektrony a díry v polovodiči“, které na 558

stranách podrobně vysvětluje moderní polovodičovou fyziku. Stěžejní přínos spočívá v důsledném

použití konceptu děr vedle elektronů a yavedení konceptu statistických inženýrských veličin jako drift

a difuzivita do transportních jevů. Popsal také pohyb nosičů pomocí diferenciálních rovnic, proslavila

jej především Shockleyho diodová rovnice. Tato práce se stala „Biblí“ pro začínající techniky a vědce

v polovodičové fyzice.

5

Jack Kilby ze společnosti Texas Instruments realizuje v roce 1958 první integrovaný obvod za použití drátových propojek (RC oscilátor s 5 rezistory, 3 kapacitory a jedním tranzistorem). Kilby zhotovil celkem tři integrované obvody již v roce 1958. Vyrobeny byly z kousku germania s kontakty tvořenými přiletovanými drátky a každý z nich měl velikost zhruba 11 × 2mm. Rok nato si společnost Texas Instruments tyto integrované obvody nechala patentovat.

Obr.4 Jack Kilby a první integrovaný obvod, Texas Instrument, 1958.

Obr.5 Jean Hoerni a layout planárního tranzistoru Fairchild

Jean Hoerni ze společnosti Fairchild realizuje prvý planární tranzistor v roce 1958, čímž je

odstartována úspěšná cesta planární technologie.

6

Robert Noyce ze společnosti Fairchild Semiconductor konstruuje první funkční planární integrovaný

obvod jako monolitický čip (klopný obvod se čtyřmi tranzistory). Noyce namísto drahého germania použil křemík a na začátku roku 1959 vytvořil integrovaný obvod planární technologií, která se ukázala pro průmyslovou výrobu mnohem vhodnější než Kilbyho hrotové obvody. První patent byl udělen 25. dubna 1961 Noycemu, Kilbymu byl patent udělen až o tři roky později. Díky dohodám obou firem soud nakonec uznal Kilbyho patent na integrovaný obvod, zatímco Noycemu patent na způsob výroby integrovaných obvodů lišící se od toho, jaký předložil Kilby.

Obr.6. Robert Noyce, jeden z vynálezců integrovaného obvodu a společně s Andy Grovem a Gordonem Moorem spoluzakladatel společnosti Intel Corp.

Obr.7. Andrew Stephen Grove autor vynikající vysokoškolské učebnice : Physics and Technology of Semiconductor Devices, pracovník fy Fairchild a spoluzakladatel fy Intel

Anddrew (Andy) Sephen Grove původním jménem András ("Andris") Gróf, maďarský emigrant

židovského původu emigroval do USA v roce 1956. Dokončil studia v NY v USA , na Universitě v Berkeley

obhájil doktorát v r.1963. Ve firmě Fairchild patřil ke špičkovým vývojářům, kde publikoval řadu zásadních

prací. Stal se spoluzakladatelem fy Intel a později jeho vrcholným manažerem.

Novodobou historii rozvoje unipolárních tranzistorů nastartovali pracovníci Bellových laboratoří M.M.

(John) Attala a Dawon Kahng, kteří v roce 1959, na rozdíl od J.E. Lilienfelda myšlenku tranzistoru

řízeného elektrickým polem dokázali realizovat.

7

M.M.Attala Dawon Kahng

Obr.8. V roce 1959 M.M. (John) Attala a Dawon Kahng z Bell Labs dokázali realizovat první úspěšný field-effect tranzistor (FET) s izolovaným hradlem

Velmi důležitým objevem, který ovlivnil celý další vývoj integrovaných obvodů byl koncept

CMOS struktury, jehož objevitelem byl Frank Marion Wanlass z fy Fairchild. Wanlass chtěl

původně použít planární technologický process vyvinutý u fy Fairchild ke zlepšení stability field-efect

tranzistorů. Poté, co se mu podařilo zrealizovat zatím neexistující n-kanálový MOS tranzistor už, nic

nestálo v cestě jeho objevu CMOS obvodu.

CMOS invertor CMOS hradlo NAND

Obr.9. Frank Marion Wanlass z fy Fairchild objevil a popsal v rove 1963 CMOS logické obvody, na které následně získává patent

8

Obr.10 George E.Smith a Willard Boyle z AT&T Bell Labs vynalezli v roce 1969 součástku s nábojem vázanou strukturou (CCD - Charge Coupled Device) Objev CCD struktury spočívá v přenosu náboje podél povrchu polovodiče z jednoho sběrného kapacitoru do sousedního. Posaný princip sběru a transportu náboje, který generuje světlo dopadající na povrch součástky byl později využit pro konstrukci foto-senzoru.

Obr.11. Steven Sasson z fy Estman Kodak Company v roce 1975 je vynálezcem první digitální kamery. Její čipový senzor je používá 100x100 CCD fy Faichild.

Obr. 12 Indický pracovník společnosti General Electric B. Jayant Baliga předvádí v roce 1980 první rychlý spínací tranzistor velkých proudů IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

9

Pionýrské práce, objevy a vynálezy zde uvedené mají přímou souvislost s předkládanými učebními

texty, všechny se týkají buď přechodů-pn a bipolárních tranzistorů nebo CMOS kapacitorů a MOS

tranzistorů, anebo jejich kombinací či modifikací. Poslední z jmenovaných objevů - IGBT je z r.1980.

Vývoj však pokračuje nezpomaleným tempem dále, jen jeho cíle se poněkud změnily. Stabilita

parametrů součástek a z nich vyrobených integrovaných obvodů je zaručována tak, aby jejich

životnost byla minimálně 10 let. Výrobní náklady a tím i prodejní cena obvodů jsou trvale snižovány.

Klíčem k tomu je zlepšení výtěžnosti, která dnes u Si desek s hotovými LSI obvody překračuje běžně

98%, což je nesrovnatelné se situací v šedesátých letech, kdy se u desek s malou integrací dosahovalo

kolem 60%. Vysoká výtěžnost umožňuje zvětšení integrace tj. zvětšování čipů. Dalším faktorem

snižování ceny je přechod na Si desky velkých průměrů. Zatímco v šedesátých letech se pracovalo s

Si deskami 2“ až 2.5“ dnes má většina firem linky na 8“ desky, několik firem však provozuje linky s

12“ Si deskami. Vzrůstá komplexnost procesů. Vedle jednoduchých bipolárních či unipolárních

technologických procesů, se čím dále více používají procesy kombinující unipolární a bipolární

struktury jako např. IGBT, anebo podstatně složitější kombinaci CMOS, bipolární a DMOS. Používají

se také technologie CMOS obsahující několik druhů tranzistorů o různých prahových napětích.

Takové procesy jsou velmi složité a není výjimkou, že vyžadují až 35 maskových úrovní. Jsme svědky

neskutečného zmenšování struktur. Tento trend předpovězený v r. 1964 a později ještě dvakrát

modifikovaný Gordonem Moorem trvá nepřetržitě již 5 dekád. Složité kombinované procesy,

zmenšování detailů a velmi vysoká integrace přináší problémy s propojením jednotlivých součástek

v obvodu. To si vynutilo vývoj a zavedení dvou až pěti-úrovňových metalizací.

Obr.13 Gordon Moore, člen týmu Williama Shockleyho, zakladatel fy

Fairchild a později spoluzakladatel fy Intel je autorem Mooreho

Zákona (Moore‘s Law)

Znění Moorova zákona:

1964: Velikost skladovaných informací na dané ploše křemíku se zdvojnásobuje každý rok. 1970: Velikost detailů realizovaných v polovodičovém materiálu klesá na polovinu každých 18 měsíců Poslední verze: Všechny indikátory výkonu použitelné v oblasti informačních technologií se zdvojnásobují v periodě jednoho a půl až tři roky. Je zřejmé, že kromě křemíkových technologií pro bipolární a unipolární součástky a obvody probíhá

vývoj a výzkum v dalších křemíkových strukturách (senzory, mikromechanické součástky,…).

Paralelně probíhá jak základní, tak aplikovaný výzkum polovodičových technologií a struktur na

10

jiných materiálech než křemík. Původní předpovědi o brzké náhradě křemíku pávě těmito materiály se

nenaplnily. Na křemíku se dnes vyrábí drtivá většina světové produkce integrovaných obvodů a tento

trend spíše expanduje, než aby docházelo k jeho útlumu. Hlavním důvodem pomalého zavádění

nových materiálů je nutnost přezbrojení technologického parku. To je extrémně drahé. Svou roli hraje

i obrovský objem znalostí o křemíkových technologiích a strukturách ve srovnání se skromnými

informacemi v oblasti nových materiálů.

Jaká byla situace v polovodičové technice v bývalém Československu a nyní v České Republice.

S hrdostí se dá říci, že čeští vědci, vývojáři a technici drželi krok se světovým vývojem přes řadu

bariér specifických pro tehdejší politickou a hospodářskou situaci. Významnou roli hrály univerzity.

V Praze, v Brně a v Bratislavě byly založeny katedry mikroelektroniky. Polovodičová fyzika a

technika byly předmětem studia také na jiných katedrách ČVUT Praha, VUT Brno a SVŠT Bratislava,

ale také na jiných universitách. Za všechny čs. vědce a pedagogy je třeba uvést alespoň jednoho -

Profesora Helmara Franka, celosvětově uznávaného odborníka a vynikajícího pedagoga, který

publikoval řadu vědeckých prací, včetně prací o tranzistoru jen s malým zpožděním po jeho objevu.

Významným počinem byly především jeho knihy:

Helmar Frank a Václav Šnejdar: Principy a vlastnosti polovodičových součástek, SNTL,1976

Helmar Frank: Fyzika a technika polovodičů, SNTL Praha, 1990

Obr.14. Prof.RNDr. Helmar Frank DrSc., dr. h. c. Vědec, pedagog, autor v oblasti polovodičové fyziky a techniky

Oblastí základního a aplikovaného výzkumu se zabývalo několik přacovišt´. Byly to

především některé ústavy akademie věd, rezortní výzkumné ústavy ale také výzkumná a

vývojová pracoviště podniků vyrábějících polovodičové součástky a integrované obvody.

O tom jak probíhal vývoj technologie u největšího výrobce polovodičových součástek

v Československu svědčí nejlépe zpráva Otištěná při příležitosti 10.výročí vzniku společnosti TESLA SEZAM a.s. a TEROSIL a.s. (1992 až 2002) Vývoj křemíkových technologií v Tesle Rožnov v období 1959-1993 (Ing. Vladimír Strakoš, CSc.) Počátky vývoje planární technologie v Tesle Rožnov.

V roce 1958 vyvinula firma Fairchild prvý planární transistor. V následujícím roce byly publikovány

základní principy planární technologie. V roce 1961 zahajuje Tesla Rožnov výzkum vlastní verze

planární technologie. Projekt sestával z následujících částí:

11

a) Vývoj čistých materiálů (monokrystalický křemík, fotolaky, čisté plyny, deionizovaná voda, čisté

kyseliny a další.)

b) Vývoj základních technologických operací (epitaxe, difúze, oxidace, fotolitografie, masky,

metalizace, pouzdření, …)

c) Konstrukce a realizace technologických zařízení.

d) Vybudování prvých čistých prostor včetně flow-boxů.

Zvládnutí vývoje prvé verze planární technologie v Tesle Rožnov bylo demonstrováno v roce 1964 na

prvém planárním tranzistoru KF506, který byl úspěšně zaveden do výroby. V roce 1965 je zahájen

nový projekt:”Studijní etapa IOPF”, který představuje nástup integrovaných obvodů v Rožnově.

Křemíkové diody

Křemiková technologie se začala prosazovat nejprve slitinovými diodami. Jednou z prvních aplikací

planární diodové struktury byla fotodioda KP 101 určená pro rychlé čtení děrné pásky, která byla v

první polovině šedesátých let dobrým exportním artiklem na Západ.

Křemíkové tranzistory.

V Tesle Rožnov byly křemíkové tranzistory vyvíjeny a zaváděny do výroby vedle běžící výroby

germaniových tranzistorů již od začátku šedesátých let. Byly to předně MESA technologie s epitaxní

vrstvou a technologie MESA s epitaxní bází pro NPN výkonové transistory řady KU, KUX. Později

od poloviny šedesátých let jsou vyvíjeny planární výkonové transistory řady KD. Velmi populární

byla řada malo-výkonových transistorů KC 607-609 na planárně – epitaxní technologii.

Koncem šedesátých let dochází k rozvoji technologie spínacích tranzistorů v planární technologii

dotované zlatem pro zkrácení zotavovací doby. Pokrok v planární technologii specielně vyřešení

pasivace povrchových parazitních kanálů umožnil rozšířit jednotlivé skupiny NPN tranzistorů o

tranzistory PNP, např. transistor KF 517 ,…a vytvořit tak komplementární páry. Tento trend pokračuje

i v sedmdesátých letech.

Významný byl pokrok ve vysokonapěťových transistorech. V roku 1978 byl vyvinut KUY 70 s UCEO

> 400V technologií tzv. “Otočené MESY”. V roce 1989 byly vyvinuty transistory s

UCEO > 1000V. V letech 1989-1990 došlo ke konverzi MESA technologie na plnou planární

technologii. V polovině šedesátých let se také bouřlivě rozvíjí oblast vysokofrekvenčních lineárních a

spínacích tranzistorů. Sem patří např. KF 167 a KF173 vyrobené planární epitaxní technologií anebo

NPN tranzistor KF 242 pro UHF pásmo (900 MHz).

MIS technologie v Tesle Rožnov.

V roce 1966 byla vyvinuta klasická Metal Gate technologie. V následujícím roce byl do výroby

zaveden prvý N-kanálový MOS tranzistor KF520. Následovaly transistory KF521 a další, které měly

již vysokou strmost a tím i širokou použitelnost.

V roce 1967-68 začíná vyvoj MTNS technologie slučitelné s TTL obvody. Je to technologie obdobná

technologii LOCOS to je technologie využívající tlustý oxid křemíku v poli s tím, že hradlové

dielektrikum je tvořeno dvojvrstvou nitrid křemíku / oxid křemíku, Si deska je v rovině (111) a použité

transistory jsou P-kanalové. Vývoj této technologie byl umožněn zvládnutím vysokoteplotní depozice

nitridu křemíku. Používána byla oxidace z tekutého kyslíku ve dvojité difúzní trubici. Na bázi MTNS

technologie byl vyvinut nejprve dvojitý P-kanálový transistor KF 551, později byl převzat z VÚST A.S.

Popova v Praze sortiment několika posuvných registrů, z nichž prvý tzv. "váhový registr” byl zaveden

do výroby. V roce 1971 byl celý program MIS technologií delimitován z Tesly Rožnov do Tesly

Piešťany.

12

Technologie bipolárních IO.

První analogové IO.

V prosinci roku 1966 je pod vedením Ing.E. Belluše v Tesle Rožnov úspěšně dokončen vývoj prvého

integrovaného obvodu. Je to jednoduchý zesilovač obsahující 3 transistory a 2 resistory, který umožnil

ověření základních principů izolačních a principů metalizace.

TTL

V roce 1967 začiná v Tesle Rožnov vývoj planárně epitaxní technologie pro čislicové bipolárni IO.

Jako první byla vyvinuta klasická struktura SBC (Standard Buried Collector), což je struktura s

utopenou kolektorovou vrstvou. Zavedení difúze zlata pro zkrácení zotavovací doby v bázi tranzistoru

byla základem pro vývoj a výrobu velmi úspěšné řady TTL číslicových integrovaných obvodů, které

byly ekvivalentem k obvodům firmy řady SN74.., firmy Texas Instrument. Výrobní realizace prvých

TTL obvodů se datuje od roku 1968 . V lednu 1970 byl ukončen vývoj zakladní řady těchto TTL

obvodů.

Zdokonalení analogové technologie.

V roce 1969 je otevřen projekt “Realizace prvých operačních zesilovačů. Stěžejní úlohou v tomto

projektu bylo zvládnutí technologie pro integrovaný obvod MAA501-503 ( ekvivalent k IO A709).

Šlo především o využití laterálního PNP tranzistoru ( Beta ~ 8 ) a substrátového PNP transistoru ( Beta

~ 30 ). Dalším problémem, který tato technologie úspěšně řešila byla povrchová pasivace, neboť

závěrné napětí struktury dosahovalo 40V. Vyvoj tohoto operačního zesilovače byl ukončen v prosinci

1970, což bylo jen o 6 let později proti vyvoji A709 v USA (Fairchild).

STTL

Začátkem semdesátých let se zavádí pro čislicové integrované obvody technologie STTL (Schottky

Transistor Transistor Logic). Tato technologie již nepoužívá zlato pro zkrácení doby života

minoritních nosiču, ale zavadí Schottkyho antisaturační diodu zapojenou mezi bázi a kolektor

transistoru. Tato úprava představuje zkrácení spínacich časů STTL obvodů až o řád ve srovnání s

obvody TTL. STTL technologie prošla později rekonstrukcí (shrink), při které došlo k výraznému

zvýšení hustoty funkčních prvků v čipu.

Paměti využívající technologii TTL a STTL

Významnou aplikací na technologii TTL a STTL byly v polovině sedmdesátých let polovodičové

paměti. Na TTL technologii to byla prvá 64 bitová RAM paměť MH 7489, další paměť na technologii

STTL byla MH74S201 a konečně 1k-bitová RAM paměť MH 82S11. Paralelně s vývojem RAM

paměti jsou vyvíjeny take ROM a PROM paměti. Byly to například MH74188, MH74S187,

MH74S287 a 2k-bitová PROM paměť MH74S571.

Rozvoj nových technologických operací

Další rozvoj polovodičových struktur byl nemyslitelný bez inovací jednotlivých operací. Důležitým

mezníkem byl přechod od želatinových masek k maskám chromovým a hlavně zavedení licenční (

Balzers ) výroby těchto masek v Rožnově. Pro zvýšení kvality vody byla zavedena technologie

reversní osmosy. Důležité byly investice do nových technologických operací jako iontová implantace,

naprašování kovových slitin, plasmatické leptání a depozice, laserové trimování a další.

Isoplanární technologie

V polovině sedmdesátých let startuje vyvoj generačně nové technologie pro velmi rychlé číslicové

obvody s vysokou hustotou součástek. Tato technologie se plně rozvíjí hlavně v omdesátých létech. Je

to Isoplanární technologie. Mezi základní rysy této technologie patří dielektrická isolace součástek v

horizontálním směru umožňující použití přesahových masek a tím radikální zvýšení hustoty součástek,

13

dále významné zmenšení struktury ve vertikálním směru (epitaxní vrstva tenčí než m ), použití

iontové implantace pro všechny vrstvy aktivní tranzistorové struktury, zachování tlustých oxidů v poli,

které snižují parazitní kapacity, využití trojvrstvé metalizace PtSi-TiW-AlSiCu umožňující realizovat

Schottkyho diody a dalši progresívní vlastnosti a zlepšení.

Paměti a ALS obvody na Isoplanární technologii

Technologie Isoplanar byla použita jednak pro realizaci velmi rychlých číslicových obvodů řady ALS

(Advanced Low power Schottky) a jednak pro realizaci rychlých RAM a PROM pamětí .

Úspěšný vývoj dvojúrovňové metalizace využívající v první úrovni trojvrstvu PtSi-TiW-AlSiCu a

novější verze Ioplanar 2 s vymývanými emitory vedl ke konstrukci velmi rychlé 1kbitové paměti

RAM typu MH 93425, ale i velkých ALS obvodů. Mezi největší obvody na isoplanární technologii

patřila 4 kbitová a 8 kbitová PROM paměť (MH74448 a MH74451)

Rozšíření lineární SBC technologie

V základním sortimentu lineárních IO na SBC technologii byly začátkem sedmdesátých let operační

zesilovače, napěťové regulátory, později televizní obvody a první typy převodníků. Další vývoj se po

roce 1970 ubíral cestou rozšiřování základní struktury SBC o nové difúzní a implantované vrstvy

umožňující rozšíření sortimentu základních funkčních prvků. Zavedení hlubokých difúzí P+ a N+

umožnilo vývoj a výrobu výkonových nízkofrekvenčních audio zesilovačů MBA 810, výkonových

operačních zesilovačů MDA 2010, MDA2020 a dalších. Tranzistory PNP byly zdokonaleny na úroveň

NPN tranzistorů, což umožnilo kromě jiného realizovat komplementární předzesilovací stupně.

Kvalitní vertikální substrátový PNP transistor byl uspěšně využíván v Darlingtonově zapojení na

vstupu obvodu. Toto řešení významně potlačuje 1/f šum, což je vítané především u akustických

výkonových zesilovačů a u vícebitových převodníků. Jiným příkladem rozšíření návrhových možností

byla integrace vertikálního plně izolovaného PNP transistoru. Tato verze technologie umožnila

podstatně zlepšit symetrii komplementární dvojice transistorů NPN – PNP , které se s úspěchem

využívají v push-pull zapojení. Tento typ transistoru byl vyvinut pro obvod MDA6200.

Zavedení Silicid Chromovych odporů

Dalším zlepšením SBC struktury bylo zavedení depozice Silicid Chromových odporů v roce 1980

použitých nejprve v MAC 01. Tyto odpory s téměr nulovým tepelným koeficientem odporu,

trimované laserem, umožnily vývoj stabilniho 12 bitového DA převodníku MDAC 565/566. Řešení

laserového trimování přineslo mnoho nových poznatků zvláště z oblasti optických vlastností

dielekrických multivrstev , což svědčilo o relativně vysoké odborné úrovni týmu VaV v Tesle Rožnov

na přelomu sedmdesátých a osmdesátých let.

Kombinovaná technologie BIFET

Významnou vývojovou větví lineárních integrovaných obvodů konce sedmdesátých a začátku

omdesátých let představuje technologie BIFET. Standardní struktura SBC je v tomto případě doplněna

nezbytnými implantovanými a pasivačními vrstvami, které umožňují vytvořit v této struktuře

přechodový polem řízený transistor JFET. JFET transistory integrované do SBC struktury nabízejí

jejich použití jako vysokoimpedanční součastky pro vstupy v IO. Jejich hlavní použití bylo v BIFET

převodnících a analogových multiplexerech.

Integrovaná Injekčni Logika I2L

V polovině sedmdesátých let se rozvíjí důležitá komodita – zákaznické integrované obvody. V Tesle

Rožnov byl vývoj veden dvěma cestami. Jednak to byla jednoduchá technologie I2L využívající

epitaxní vrstvu na N+ substrátu a jednak to byla kombinovaná lineární technologie SBC s injekční

logikou. Obě verze byly relatívně úspěšné. V rámci projektu zákaznických obvodů se začal budovat

14

knihovní systém funkčních bloků. Příkladem kombinace hned tří technologií v jediném procesu byl v

roce 1989 IO MDA1533, ve kterém byly použity technologické bloky: Lineárni – I2L – CML.

Tenzometry

Do sortimentu Tesly Rožnov patřily také tenzometry, které byly vyvíjeny a do výroby zaváděny ve

spolupráci s Teslou VÚST A.S.Popova. Prvá skupina tenzometrů využívala tlustou membránu

tvořenou celou tloušťkou Si desky, novější mnohem citlivější verze vzužívala již leptáním ztenčenou

membránu.

Superbeta technologie

Díky využití výhod iontové implantace byla v roce 1981 vyvinuta a výrobně aplikovaná technologie

“superbeta, jejiž transistory dosahují reprodukovatelné bety až 1700. Další výhodou superbeta

technologie jsou velmi nízké šumy, což bylo využito s úspěchem například v IO typu MDA2054.

Technologie kardiostimulátoru

Pečlivé přehodnocení vysokoteplotních operací a redukce maximálních koncentrací difúzních a

implantovaných vrstev byly základními předpoklady pro vývoj technologie s vysokou spolehlivostí

vhodnou pro integrovaný obvod kardiostimulátoru.Požadavek extrémní spolehlivosti si vynutil

studium poruchových mechanismů této struktury a prevence proti jejich vzniku. Tím se všeobecně

změnil přístup ke spolehlivosti od pasívního vytřídění nespolehlivých obvodů měřením k aktivnímu

zabudování prvků spolehlivosti přímo do technolo-gického procesu a jednotlivých polovodičových

struktur.

Technologie slunečních článků

Na přelomu 80 a devadesátých let vzniká projekt vývoje slunečních článků. Projekt je zahájen v době

hledání nových trhů po pádu sovětské ekonomiky a tím i největšího zákazníka Tesly Rožnov.

Rychlý vývoj této technologie a slibná jednání s odbytovými firmami v bývalé Jugoslavii a Rakousku

byla přerušena válečným konfliktem na Balkaně. Přesto vývoj technologie slunečních článků

pokračoval a vyústil do výrobní realizace. Později, v roce 1993 došlo k založení nové společnosti

Solartec a posléze k úplnému oddělení od výrobní linky Tesla Sezam.

GHz technologie IMPACT X

Koncem 80 let začal vývoj generačně nové technologie určené pro aplikace v GHz oblasti. Prvé dvě

části projektu zahrnovaly vývoj 12GHz tranzistoru a trench izolace. Transistor na extrémně tenké

epitaxní vrstvě < 1m využíval dvě vrstvy Poly Si pro realizaci básových kontaktů a emitoru. Pro

přesné nastavení rbb’ a pro přesnou kontrolu emitor-básové kapacity byl vyvinut “spacer”. Pro

zlepšení vf vlastností byl použit vysokoenergetický implant fosforu do subkolektoru. Zatimco vyvoj

samotné tranzistorové struktury byl úspěšně dokončen, druhá část tj. trench isolace byly v relativně

vysokém stupni vývoje přerušeny a kompletní GHz technologie nebyla výrobně realizována.

Důvodem byl nedostatek financí při hluboke krizi v r.1993. Technologie IMPACT X patřila v oblasti

bipolárních technologií v r.1993 ke špičkovým technologiím na světě.

Detektory rychlých elementárních částic

Začatkem 90 let byla úspěšně vyvinuta technologie stripe detektoru pro CERN (Evropske centrum

nukleárniho výzkumu) v Ženevě.

Tyto detektory jsou vysokonapětové diody s tloušťkou ochuzené vrstvy rovnou tloušťce Si desky tj.

200 m a velmi dlouhou difúzní délkou minoritních nosičů. Tento process vyžaduje extrémní čistotu

křemíku stejně jako extrémní čistotu všech vysokoteplotních operací. Po stripe detektorech byl

vyvinut process pro pixel detektory s dvojúrovňovou metalizací. Tyto detektory vyžadovaly Si

15

materiál s požadovaným odporem 6 kOhmcm, což byl důvod, proč nakonec nedošlo k jejich

průmyslové realizaci.

Infračervená kamera

Tesla Rožnov spolupracovala na rozsáhlém projektu vývoje infračervené kamery. Srdcem kamery byl

čip sensoru s maticí Schottkyho diod Pt-PSi. Pro nedostatek finančních prostředků však musel být

projekt ve vysokém stupni rozpracování zastaven.

Původní rožnovská Tesla prošla řadou změn, dnes je součástí americké fy ON Semiconductor

s globální působností, která se oddělila z části fy Motorola. V ON Semiconductor Czech

Republic v Rožnově p.R. pracuje výzkumně vývojové pracoviště podílející se na řadě

vývojových projektů. Ve dvou výrobních linkách se vyrábějí křemíkové desky a moderní

integrované obvody. Součástí rožnovského ON Semi je i velké návrhové centrun pracující pro

všechny ON Semi výrobní linky.

.

16