Przyrządy

półprzewodnikowe i

technologie

stosowane w ich

produkcji

Wykład 4

Źródła i detektory

światła

Optoelektronika zaoczne 2011/12

Optoelektronika zaoczne 2011/12

Przypominam proponowane

tematy referatów

2

1. Wiązania chemiczne i ich wpływ na właściwości

materiałów

.

2. Wybrane technologie stosowane w wytwarzaniu

elementów elektronicznych – dyfuzja, epitaksja,
fotolitografia.

3. Tranzystor unipolarny i polowy budowa, zasady

pracy.

4. Półprzewodnikowe elementy fotowoltaiczne.
5. Budowa lasera na ciele stałym – budowa i zasady

pracy.

6. Zastosowanie światła laserowego – omów kilka

wybranych zastosowań.

7. Zastosowanie techniki światłowodowej w

telekomunikacji.

Kolejne tematy

referatów

1. Wyświetlacze ciekłokrystaliczne: efekt TN,

problemy adresowania matrycowego,
budowa kolorowego wyświetlacza video.

2. Wyświetlacze plazmowe: budowa

kolorowego wyświetlacza plazmowego i
technika jego adreso-wania.

3. Wyświetlacze elektroluminescencyjne: EL,

OLED, PLED, LED – budowa, efekt fizyczny,
realizacja zobrazowania barwnego,
zastosowania, kierunki rozwoju.

4. Systemy projekcyjne: historia, współczesne

LCD, DLP, budowa, sposób realizacji
zobrazowania, kino cyfrowe.

5. Wyświetlacze na podłożach giętkich –

problemy budowy i kierunki rozwoju.

Review of Atomic Terms
• atom - smallest particle of an element
• nucleus - in the center of the atom, contains the
positively charged particles (protons) and uncharged
particles (neutrons)
• electrons - negatively charged particles which orbit
the nucleus
• neutral state - equal number of protons and
electrons such that the net charge of the atom is zero
• atomic number - number of electrons in a neutral
atom (same element, same atomic number)
• atomic weight - slightly greater than the sum of the
number of protons and neutrons

Budowa atomów

Najwyższa zewnętrzna powłoka atomu jest
nazywana walencyjną.

Powłoka ta jest pełna, gdy jest wypełniona 8
elektronami.

 Atom z 1 elektronem na powłoce walencyjnej
łatwo go oddaje. Taka budowa charakteryzuje
przewodniki.

 Atom z 8 elektronami na powłoce walencyjnej
uwalnia je tylko w sposób wymuszony. Taką
budową charakteryzują się izolatory.

Przepływał prądu wywołany jest uwolnieniem
elektronu z powłoki walencyjnej i jego przejściem do
pasma przewo-dnictwa

Proces taki może zaistnieć tylko wtedy, gdy z
zewnątrz będzie dostarczona energia. 

Odwrotnie, gdy elektron wraca z pasma
przewodnictwa do walencyjnego to energia jest
wydzielana na zewnątrz

DOMIESZKI: III i V

wartościowe

8

Struktura pasmowa ciał

stałych

Metal

E

g

= 0

Półprzewodnik

0,1 eV < E

g

<

3 eV

Izolator

E

g

> 3 eV

E

v

– pasmo walencyjne

E

c

– pasmo przewodnictwa

E

g

– pasmo zabronione

E

v

E

c

E

g

E

v

E

c

E

v

E

c

E

g

9

Materiały półprzewodnikowe

Pierwiastki: Si, Ge

Związki chemiczne:

GaAs, GaP, InP, PbS

Stopy:

Polimery

i inne związki organiczne

np. Si

1-

x

Ga

x

Miejsce półprzewodników w

układzie pierwiastków

Grupa 
Okres 

II

III

IV

V

VI

VII

II

B

1.1

C

5.2

III

Si

1.1

P

1.5

S

2.5

IV

Ge

0.7

As

1.2

Se

1.7

V

Sn

0.08

Sb

0.12

Te

0.36

J

1.25

VI

E

g

w 300K (eV)

Ważniejsze półprzewodniki

Półprzewodnik

E

g

w 300 K (eV)

Pierwiastki

Si

Ge

Diament

-Sn

1.12
0.67
5.30
0.08

Związki A

III

B

V

GaAs

GaP
InAs
InSb

GaN

1.35
2.24
0.36
0.18
3.39

Związki A

II

B

VI

CdS

CdSe

CdTe

ZnTe

Hg

1–x

Cd

x

Te

2.42
1.73
1.50
2.25

0–1.5

12

RODZAJE
PÓŁPRZEWODNIKÓW

SAMOISTNE

DOMIESZKOWANE

jest to monokryształ

półprzewodnika pozbawionego

defektów sieci krystalicznej i

domieszek, czyli nie zawierają

obcych atomów w sieci

krystalicznej

np. Si, GaAs

w sieci krystalicznej

monokryształu zamiast

niektórych atomów pierwiastka

materiału półprzewodnikowego

znajduje się inny atom

np. Si domieszkowany Sb

13

PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE

T = 0 K

Wszystkie elektrony związane

Tak naprawdę to

zachodzi

w temp. < 200K

14

T > 0 K

PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE

Wzbudzenia termiczne powodują

zerwanie niektórych wiązań

Efekt tak na prawdę zachodzi w
temperaturach 250 – 500K

15

PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE

Ze wzrostem temperatury

w paśmie przewodnictwa

pojawiają się elektrony, a

w paśmie walencyjnym

puste miejsca po

elektronach, tzw.

DZIURY

16

PÓŁPRZEWODNIKI SAMOISTNE

Gdy półprzewodnik umieścimy w polu

elektrycznym

, elektrony w paśmie przewodnictwa

przemieszczają się w jedna stronę, a dziury w paśmie

przewodnictwa w drugą stronę.

17

Przewodność

elektryczna

półprzewodni

ka

samoistnego

rośnie wraz z

temperaturą

Przewodność elektryczna

18

PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWANE

Typ n (negative)

Typ p (positive)

Przewaga elektronów

w paśmie

przewodnictwa

otrzymujemy gdy do

półprzewodnika gr. IV

wprowadzimy domieszki

atomów grupy V

np. As w Si

Przewaga dziur

w

paśmie

walencyjnym

otrzymujemy gdy

do półprzewodnika

gr. IV wprowadzimy

domieszki atomów

grupy III

np. In w Si

Rolę domieszki może pełnić również atom międzywęzłowy
oraz wakans

.

19

Gdy temperatura rośnie, elektrony z poziomów

donorowych są wzbudzane termicznie do pasma

przewodnictwa

Przeskok o energię E

d

gdzie E

d

<< E

g

PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWANE – typ n

20

E

a

PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWANE – typ p

Wprowadzenie atomu gr. III, w miejsce atomu gr. IV

powoduje powstanie dodatkowego pustego poziomu

energetycznego w pobliżu pasma walencyjnego, w

odległości E

a.

E

a

– poziom akceptorowy

Atomy

domieszki

nazywamy

akceptorami

21

PÓŁPRZEWODNIKI DOMIESZKOWANE – typ p

Gdy temperatura rośnie, elektrony z pasma

walencyjnego są wzbudzane termicznie i przechodzą

na poziom akceptorowy

Przeskok o energię E

a

gdzie E

a

<< E

g

Półprzewodniki samoistne i

domieszkowe

półprzewodniki typu p
przewodnictwo dziurowe
domieszki akceptorowe: B, Ga, In
III grupa układu okresowego

półprzewodniki typu n
przewodnictwo elektronowe
domieszki donorowe: P, As, Sb
V grupa układu okresowego

Koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa

półprzewodnika domieszkowanego typu n

Półprzewodniki samoistne

 Generacji termiczna par dziura-

Generacji termiczna par dziura-

ele-ktron ->

ele-ktron ->proces pojawiania się
elektronów w paśmie
przewodnictwa i wolnych miejsc
(dziur) w paśmie podstawowym pod
wpły-wem wzrostu temperatury.

 Liczba generowanych par
(koncentracja), jest tym większa, im
węższe jest pasmo zabronione
półprzewodnika i wyższa jego
temperatura.

 Rekombinacja to proces powrotu pobudzonych
elektronów do stanu podstawowego.

 Nieograniczony wzrost swobodnych elektronów i dziur
generowanych półprzewodniku ogranicza zjawisko rekombinacji.



W ustalonejtemperaturze szybkość rekombinacji musi

W ustalonejtemperaturze szybkość rekombinacji musi

się równać szybkości generacji

się równać szybkości generacji

Przewodnictwo elektryczne półprzewodników samoistnych
charakteryzu-je się:

-w temperaturze ≈300 K zachodzi ono w wyniku ruchu zarówno
elektro-nów jak i dziur;

-istnieje taka sama liczba dziur i elektronów, gdyż uwolnieniu z
wiązań jednego elektronu towarzyszy powstanie jednej dziury;

-prąd całkowity przewodzenia jest sumą prądu dziur i prądu
elektronów.

W praktyce znacznie częściej od półprzewodników samoistnych są
stosowane tzw. półprzewodniki niesamoistne (domieszkowane).
Są one produkowane najczęściej na bazie germanu i krzemu.
Powstają w wyniku wprowadzenia do ich sieci krystalicznej,
atomów pierwiastków 3 lub 5 wartościowych.
Wprowadzenie domieszek zwiększa przewodnictwo albo
elektronowe, albo dziurowe
Wywołane jest to tym, że wiązanie w sieci krystalicznej atomów
krzemu lub germanu, wymaga 4 elektronów walencyjnych, a atom
pierwiastka z V grupy ma 5 elektronów walencyjnych.
Elektron nie biorący udziału w wiązaniu, po otrzymaniu
stosunkowo niewielkiej energii przechodzi do pasma
przewodnictwa (przewodnictwo elektronowe). Jest to tzw.
domieszka donorowa
Wprowadzenie atomu pierwiastka III grupy (3 elektrony
walencyjne) powoduje brak jednego elektronu, który może łatwo
być uzupełniony przez elektron z pasma walencyjnego. W efekcie
powstaje przewodni-ctwo dziurowe, a domieszka nazywa się
akceptorową.

Półprzewodniki

domieszkowane

Półprzewodniki typu- n (donorowe -
domieszka posiada 5 elektronów w
powłoce walencyjnej)

> Elektrony–nośniki większościowe
> Dziury–nośniki mniejszościowe
> Materiał jest elektrycznie obojętny

Półprzewodniki typu-p –akceptorowe
(domieszka posiada 5 dziur w powłoce
walencyjnej)

> Dziury–nośniki większościowe
> Elektrony–nośniki mniejszościowe
> Materiał pozostaje elektrycznie obojętny.

METODY WYTWARZANIA
MATERIAŁÓW I STRUKTUR
PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Referaty ???

Pojęcie konstrukcja elementu oznacza zespół
danych określających formę geometryczna struktury
półprzewodnikowej,

oraz

niektóre

parametry

fizykochemiczne takie jak: kształt, wielkość i położenie
warstw p,n , rozkład koncentracji domieszek,
rezystywność

poszczególnych

warstw,

rozmiary

kontaktów. W niektórych przypadkach do istotnych
cech należą kształt i rozmiary obudowy.

Przez pojęcie technologia wytwarzania rozumie się
zespół informacji określających sposoby i kolejność
wykonywania określonych operacji w celu
zrealizowania zaprojektowanej konstrukcji

Technologie

• Materiały stosowane w przyrządach

półprzewodnikowych muszą spełniać

określone wymagania dotyczące ich

właściwości elektrycznych i

strukturalnych.

• Podstawowe to
• - budowa monokrystaliczna
• - jak najmniejsza liczba defektów
• - precyzyjnie kontrolowana koncentracja

domieszek w zakresie 10

19

…10

26

m

-3

Podstawowym

warunkiem

aby

możliwe

było

kontrolowanie

domie-szkowania

materiału

półprzewodnikowego jest dysponowanie mate-riałem o
koncentracji atomów zanieczyszczeń mniejszej niż 10

19

.

Ponieważ w monokrystalicznym krzemie lub

germanie koncentracja atomów wynosi ok. 10

29

oznacza,

że jeden atom pierwiastka obcego przypada na 10 000
000 000 atomów pierwiastka podstawowego.

materiał o takiej ilości zanieczyszczeń nazywa się

technicznie czystym.

Oczyszczanie materiałów

Zanieczyszczenia mają
skłonność do gromadzenia się w
stopionej strefie pręta.
Proces czyszczenia strefowego
po-wtarza się wielokrotnie.
Koniec pręta,
w którym zgromadziły się
domieszki jest odrzucany.

Metoda Czochralskiego polega na
powol-nym wyciąganiu zarodka z
tygla z roztopio-nym
półprzewodnikiem.
Tygiel ogrzewany jest piecem
indukcyjnym.
Do stopu można dodać domieszki,
otrzy-mując półprzewodnik
odpowiedniego typu.

Krystalizacja

Wytwarzanie złącz pn

Wytwarzanie złącz pn

tranzystory ostrzowe

tranzystory ostrzowe

Technologia
historyczna

Wytwarzanie złącz pn tranzystory stopowe

W płytkę germanu typu n wtapia się kulki indu
otrzymując
tranzystor pnp.

Technologia
historyczna

W procesie produkcyjnym po nagrzaniu struktury zachodzi
dyfuzja domieszek obu rodzajów, umożliwiając osiągnięcie
gradientu domie-szek w obszarze bazy.

Wytwarzanie złącz pn tranzystory stopowo-

dyfuzyjne

Technologia
historyczna

Wytwarzanie złącz pn złącza wyciągane

Metoda polega na dodawaniu do stopu, z którego wyciąga

się pręt półprzewodnika zarówno domieszki akceptorowej i

donorowej. Obecnie nie wytwarza się w ten sposób

tranzystorów, ale metoda jest stosowana do

wytwarzania fotoogniw.

Domieszki akceptorowe i donorowe wbudowują się w

kryształ pół-przewodnika w różnym stopniu w zależności od

prędkości wzrostu kryształu. Dobierając odpowiednie

stężenie domieszek obu rodzajów w stopie i regulując

prędkość wzrostu kryształu można wyhodować kryształ

zawierający naprzemiennie ułożone warstwy n i p.

Dyfuzja

Jest to najstarszy i najlepiej opanowany sposób

wytwarzania złącza p-n na przykład w półprzewodnikach
grupy A

III

B

V

.

Problemem jest brak szybko dyfundujących donorów,

dlatego też z reguły wykorzystuje się półprzewodnik typu n,
a dyfundującym akceptorem jest cynk.

Proces dyfuzji cynku jest zazwyczaj przeprowadzany w

kwarcowej ampule odpompowanej do ciśnienia ok. 10

-4

Pa.

Źródłem domieszki jest przeważnie arsenek cynku lub stop
cynku z galem, rzadko czysty cynk. Dyfuzję ampułową
przeprowadza się zwykle w piecu jednostrefowym w temp.
ok. 650-850

o

C , temperatura zależy od wymaganej

głębokości złącza.
Procesy

przeprowadzane

w

niższych

temperaturach

charakteryzują się mniejszą ilością defektów

Wytwarzanie złącz pn

Wytwarzanie złącz pn

dyfuzja domieszek

dyfuzja domieszek

Proces wytwarzania elementów półprzewodnikowych
metodą dy-fuzji polega na parokrotnym przeprowadzeniu
operacji:
- utleniania powierzchni półprzewodnika
- naświetleniu maski metodą foto-(lub
elektro-)litograficzną
- wytrawieniu maski (roztworem HF)
- wykonaniu dyfuzji domieszki
- ...

Piec do dyfuzji i utleniania

Dyfuzja

1) Po utlenianiu, litografii i wytrawianiu
2) Po dyfuzji akceptora i powtórnym utlenieniu
3) Po powtórnej litografii i wytrawieniu
4) Po trzecim utlenianiu
5) Po trzeciej litografii i wytrawieniu
6) Po naniesieniu metalowych odprowadzeń
(metalizacji) - gotowa struktura

Wytwarzanie złącz pn

Wytwarzanie złącz pn

tranzystor planarny

tranzystor planarny

Epitaksja

Epitaksja

Epitaksja jest to proces wytwarzania

Epitaksja jest to proces wytwarzania

monokrystalicznych

monokrystalicznych

warstw półprzewodnika na monokrystalicznym

warstw półprzewodnika na monokrystalicznym

podłożu,

podłożu,

przy zachowaniu jego budowy krystalograficznej

przy zachowaniu jego budowy krystalograficznej.

Dioda laserowa

Ogniwo słoneczne

Epitaksja

Epitaksja

oznacza proces wytwarzania cienkiej warstwy

półprzewodnika monokrystalicznego (typowo 3 … 25µm) na
podłożu monokrystalicznym z zachowaniem ciągłości
budowy krystalicznej z podłożem. Narastająca warstwa
będąca „przedłużeniem podłoża” nosi nazwę warstwy
epitaksjalnej

Pierwszy rodzaj epitaksji

to osadzanie materiału takiego

jak samo podłoże na przykład osadzanie krzemu na
krzemowym podłożu tak
Zwana

homoepitaksja

. Celem procesu jest wytworzenie

warstwy różniącej się istotnymi cechami od podłoża. I tak na
przykład może różnić się typem przewodnictwa, co umożliwi
otrzymanie złącza pn.

W drugim przypadku osadzany materiał jest różny

od

materiału podłoża, na przykład krzem na Al

2

O

3

mówimy

wtedy o

heteroepita-ksji.

Identyczność sieci krystalograficznej obu warstw jest

Identyczność sieci krystalograficznej obu warstw jest

podstawowym warunkiem epitaksji

podstawowym warunkiem epitaksji.
Epitaksja jest w zasadzie jedyną metodą wytworzenia dobrej
jakości
kryształów półprzewodników będących związkami
chemicznymi.

Podstawowe metody epitaksji to:
1) Epitaksja z fazy gazowej (VPE - Vapor Phase
Epitaxy)
2) Epitaksja z fazy ciekłej (LPE - Liquid Phase Epitaxy)
3) Epitaksja metodą naparowania próżniowego (MBE
– Mo-lecular Beam Epitaxy)
4) Metoda dekompozycji związków
metaloorganicznych
(MetalOrganic Chemical Vapour Deposition MOCVD)

Epitaksja z fazy ciekłej

Epitaksja z fazy ciekłej (LPE = Liquid Phase Epitaxy) jest
obecnie najpowszechniej stosowana metodą stosowana w
technologii laserów i diod elektroluminescencyjnych.
Ustępuje pod względem precyzji składu i grubości warstw
takim metodom jak MBE czy MO CVD ale pozwala na
wytwarzanie materiału o zdecydowanie najlepszej jakości
optycznej.

Epitaksja z fazy ciekłej polega na krystalizacji materiału z
nasyconego roztworu na podłożu monokrystalicznym. Wzrost
epitaksjalny następuje wskutek tego, że rozpuszczalność
składnika rozcieńczonego w roztworze maleje w miarę
obniżania temperatury

Uniwersalna metodą wytwarzania wielowarstwowych struktur
laserowych i diodowych jest tak zwana technika przesuwowa.
Podstawowym elementem układu LPE jest w tym przypadku
wielokomorowa przesuwana kaseta grafi-towa.

3.18 s 91

Kaseta składa się z dwóch części, które mogą być przesuwane
względem siebie. Część dolna zawiera wgłębienia służące do
umieszczania płytki podłożowej. Część górna ma komory
wypełnione odpowiednimi stopami. Po doprowadzeniu układu
do odpowiedniej temperatury i nasyceniu stopu , wzrost
kolejnych warstw jest rozpoczynany i przerywany poprzez
przesuwanie nad podłożem odpowiednich stopów

Wzrost warstwy w procesie LPE może zachodzić w
następujących warunkach:

- w wyniku powolnego chłodzenia roztworu

- w stacjonarnym gradiencie temperatury z użyciem
płytki źródłowej

- w wyniku przepływu prądu przez granicę podłoże –
roztwór w stałej temperaturze (elektro-epitaksja)

Cechy LPE świadczące o jej użyteczności

:

Ponieważ w LPE wzrost warstwy zachodzi dla dowolnej
kombinacji

temperatury

i

składu,

właściwy

wybór

rozpuszczalnika pozwala na przeprowadzenie procesu w
temperaturach poniżej temperatury topnienia danego
związku. Ta różnica może wynosić nawet kilkaset stopni co
wpływa

na

zmniejszenie

zanieczyszczeń

warstw

epitaksjalnych.

Niska temperatura zmniejsza również koncentrację
defektów, w warstwach LPE jest ich tak mało, że nie mają
wpływu na typ przewodnictwa materiału.

Możliwość prowadzenia procesu od niższych temperatur ma
znaczenie gdy jeden ze składników ma dużą lotność.
(Przykładem może być GaP, który jest bardzo trudny do
krystalizacji z roztworu stechiometrycznego , a bez kłopotu
może być krystalizowany z roztworu bogatego w gal.

Cechy te czynią LPE podstawową metodą wytwarzania
struktur laserów i diod elektroluminescencyjnych

Epitaksja z par

Epitaksja z par (VPE = Vapour Phase Epitaxy), często
jest określana jako naparowanie chemiczne (CVD =
Chemical Vapour Deposition)

W odniesieniu do związków A

III

B

V

możemy wyodrębnić trzy

podstawowe metody:

 metoda chlorkowa

 metoda wodorkowa



metoda

oparta

na

rozkładzie

związków

metaloorganicznych

W pierwszych dwóch metodach reagentami są odpowiednio:
AsCl

3

, PCl

3

lub AsH

3

, PH

3

, Ga lub Ge i In a gazem

transportującym wodór. Proces jest przeprowadzany w
reaktorze przepływowym.
Metodami tymi nie można uzyskać dobrej jakości warstw z
Al. (które jest bardzo aktywne, ma małą ruchliwość
powierzchniową, wymaga wysokich temperatur procesu)

Trudności te można pokonać trzecią metodą MO CVD. W
metodzie tej źródłem Ga i Al. Jest metaloorganiczny trójmetyl
galu (TMGa) i trójmetylaluminium (TMAl) a źródłem As jest
AsH

3

Gazowa mieszanina tych związków poddawana jest

pyrolizie w atmosferze H

2

w temperaturze 650-750

o

C.

Skład warstwy jest kontrolowany przez kontrolę stosunku
ciśnień cząstkowych TMGa i TMAl.
Technologia ta oferuje możliwość powtarzalnego i w pełni
kontrolowanego hodowania bardzo cienkich i jednorodnych
pod względem grubości warstw.
Warstwy otrzymane tą techniką mają dobrą jakość zbliżoną do
LPE, pozwala ona natomiast na wykonanie specjalnych
struktur takich jak lasery braggowskie czy lasery z
kwantowym obszarem czynnym.

Epitaksja z wiązek

molekularnych

Epitaksja z wiązek molekularnych (MBE = Molecular Beam
Epitaxy) jest to proces zachodzący w ultrawysokiej próżni w
wyniku reakcji jednej lub więcej wiązek molekularnych z
powierzchnią kryształu. MBE jest odmiana naparowania
próżniowego wyróżniająca się łatwością kontroli osadzania
warstw i sterowania.
Zaleta jest niska ( 600

o

C) temperatura w jakiej odbywa się

wzrost. Minima-lizuje to niepożądane termicznie aktywowane
procesy jak dyfuzja i powoduje powolny kontrolowany wzrost
warstwy.
Niska temperatura w jakiej odbywa się proces pozwala na
lepsza kontrolę grubości warstw i umożliwia hodowanie
pojedynczych warstw atomowych. Kolejna zaletą metody jest
łatwość wprowadzania domieszek i możliwość wytwarzania
warstw o skomplikowanych profilach zarówno składu jak i
domieszkowania.
Proces jest prowadzony w próżni rzędu 10

-8

Pa

3,22 s 96

Wiązki molekularne emitowane są z termicznych komórek
efuzyjnych zawierających fazę skondensowana danego
pierwiastka w równowadze z jego parami. Strumienie
molekularne sterowane są z zewnątrz przez system prze-słon
zamykających i otwierających wylot z komórek efuzyjnych.
Aparatura dodatkowo jest wyposażona w działo elektronowe
do niskoenergetycznej dyfrakcji i spektrometr Augera do
bieżącej kontroli rosnących warstw.

Reaktor dla epitaksji metodą wiązki molekularnej –
MBE - 3
molecular beam epitaxy

Reaktor dla epitaksji typu CVD

Tryby wzrostu warstw epitaksjalnych

Tryby wzrostu warstw epitaksjalnych

Selektywna epitaksja Si lub SiGe maskowana
warstwą SiO

2

lub SiN

x

Jak zmierzyć grubość otrzymanych warstw

Jak zmierzyć grubość otrzymanych warstw

Waga kwarcowa

Dla NaCl α(23

o

C) = 1 Å/Hz

Epitaksja

Epitaksja

Metoda rozkładu par związków

Metoda rozkładu par związków

metaloorganicznych

metaloorganicznych

Metal

Metal

Organic

Organic

Chemical Vapour Deposition (MOCVD)

Chemical Vapour Deposition (MOCVD)

Defekty sieci krystalicznej –
dy-slokacje –
wynikające z różnych
wielko-ści, a, stałych sieci
krystali-cznych

Implantacja

Ponieważ jony o dużej energii
niszczą
strukturę materiału, po
implantacji ko-nieczne jest
wygrzewanie w wysokiej
temperaturze by zrelaksować
defekty.

Instalacja implantacji jonów w

fabryce Intela w Jerozolimie.

Maskowanie – proces

planarny

W domieszkowaniu lokalnym stosuje się dwa procesy:

Wytwarzanie warstwy maskującej (maskowanie)

 Wytwarzanie okien w warstwie maskującej (fotolitografia)

Najczęściej rolę warstwy maskującej spełnia SiO

2

, rzadziej

Si

3

N

4

Okna w warstwie maskującej wykonuje się metodą
fotolitografii.

Polega

ona

na

zastosowaniu

warstwy

światłoczułej do maskowania i lokalnego wytrawia-nia
odsłoniętej warstwy.

Inne procesy technologiczne

Wykonanie metalicznych pól kontaktowych

 Testowanie struktur na płytce podłożowej

 Cięcie płytki na poszczególne struktury

 Zamocowanie struktury w odpowiedniej podstawce
obudowy

 mikromontaż tj. połączenie pól kontaktowych
cienkim drutem z wyprowadzeniami zewnętrznymi

 Wykonanie obudowy

Wybrane grupy przyrządów

półprzewodnikowych

Złącze p-n

Złącze p-n – bryła półprzewodnika monokrystalicznego,

utworzona przez dwie graniczące ze sobą warstwy
typu p i typu n. Stanowi podstawową część wielu
elementów półprzewodnikowych.

Po zetknięciu warstw n i p wskutek dużej koncentracji

ruchomych nośników następuje proces dyfuzji :
- elektronów z warstwy n >>>do p,
- oraz dziur z warstwy p >>> do n

Złącze niespolaryzowane

Złącze spolaryzowane

Heterozłącza

Heterozłącze jest złączem wytworzonym z dwóch
półprzewodników

o

różnych

szerokościach

pasma

zabronionego (np. Ge-Si, Ge-GaAs, GaAs-GaP) – są to
typowe złącza laserowe i na fotodetektory
Generalnie wymagana jest bardzo dobra zgodność
budowy

sieci

krystalicznej

i

współczynników

rozszerzalności cieplnej, ponieważ nie są one spełnione to
na granicy dwu warstw istnieją dyslokacje i defekty
mające istotny wpływ na charakterystyki heterozłącza.
Możliwe są konstrukcje heterozłącza typu p-n, n-p, oraz p-
p, n-n.

Diody półprzewodnikowe

 Diody prostownicze

 Diody uniwersalne

 Stabilitrony

 Diody impulsowe

 Diody pojemnościowe

 Diody tunelowe

 Diody mikrofalowe

Dioda prostownicza

Diody uniwersalne

– diody stosowane w układach detekcji

małej mocy. Stosuje się je w układach detekcji amplitudowej, w
układach ograniczników, w detektorach stosunkowych odbiorników
FM, oraz w demodulatorach pierścieniowych

Stabilitrony (diody Zenera)

–

przeznaczone

do

zastosowania

w

układach

stabilizacji

napięć,

układach

ograniczników, jako źródła napięć odniesienia

Diody tunelowe

– są tak silnie domieszkowane, że ich

chara-kterystyka w kierunku przewodzenia ma odcinek o
ujemnej re-zystancji dynamicznej

Diody impulsowe

– przeznaczone do zastosowań w układach

impulsowych w których spełniają rolę kluczy przełączających
impulsy tylko w jednym kierunku. Diodę impulsową powinny
charakteryzować bardzo mała rezystancja w kierunku przewodzenia
oraz bardo duża w kierunku zaporowym; bezzwłoczna reakcja na
impulsy czyli brak opóźnień i zniekształceń impulsów.

Diody pojemnościowe

– stosowane są w układach

automatycznie

strojonych

obwodów

rezonansowych,

wzmacniaczach,

generatorach

parametrycznych,

powielaczach

częstotliwości,

przełącznikach

sygnałów

mikrofalowych

Tranzystor bipolarny

Tranzystor = element transformujący rezystancję >>
półprzewodnikowy

element

wzmacniający

będący

funkcjonalnym odpowiednikiem lampy (triody)

Tranzystor jest wzmacniaczem stosowanym zarówno do
liniowego zwiększania mocy sygnału, jak również
nieliniowego. Służy również do skokowego, kluczującego
sterowania mocy

.

Najbardziej

znanym

przyrządem

półprzewodnikowym

jest

tranzystor.

Opracowanie tranzystora bipolarnego zapo-
czątkowało rewolucję w elektronice, która, na
dobrą sprawę trwa do dziś.

Referat ????

Pierwszy tranzystor bipolarny

zbudował rok później inny

amerykański fizyk - W.B.

Shockley. Cała ta trójka za

wynalezienie tranzystora

otrzymała w 1956 roku

Nagrodę Nobla.

Pierwszy tranzystor, zbudowany w
1948 roku metodą ostrzową. Jego
konstruktorami byli J. Bardeen oraz
W.H. Brattain.

Tranzystor

Tranzystor to trójelektrodowy półprzewodnikowy
element elektroniczny, posiadający zdolność
wzmacniania sygnału elektrycznego
Tranzystory są urządzeniami półprzewodnikowymi
umożliwiającymi sterowanie przepływem dużego
prądu, za pomocą prądu znacznie mniejszego

Replika pierwszego
tranzystora

Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny to tranzystor,
który zbudowany jest z trzech warstw
półprzewodników o różnym rodzaju
przewodnictwa, tworzących dwa
złącza PN; sposób polaryzacji złącz
determinuje stan prac tranzystora.

Tranzystor posiada trzy końcówki

przyłączone do warstw półprzewodnika,

nazywane:

• emiter (ozn. E),
• baza (ozn. B),
• kolektor (ozn. C).

Ze względu na kolejność warstw

półprzewodnika rozróżnia się dwa typy

tranzystorów: pnp oraz npn;

>>

w tranzystorach npn nośnikiem prądu

są elektrony,

>> w tranzystorach pnp dziury

.

Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do
warstw półprzewodnika, nazywane:

emiter (ozn. E)

baza (ozn.
B)

kolektor
(ozn. C)

Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn

Nośnikiem
prądu są
elektrony

emiter (ozn. E)

kolektor
(ozn. C)

baza (ozn.
B)

Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp

Nośnikami
prądu są
dziury

Termin „dziura” odnosi się do miejsca, w którym
brakuje elektronu, a przepływ dziur to w rzeczywistości
przeskakiwanie

elektronów

pomiędzy

kolejnymi

dziurami

Ze względu na wydzielaną moc,

tranzystory dzielimy na:

• Małej mocy – do 0,3 W.
• Średniej mocy – do 5 W.
• Dużej mocy – powyżej 5 W, nawet do

300 W.

Ze względu na maksymalną

częstotliwość generacji, tranzystory

dzielimy na:

• Małej częstotliwości – do

kilkudziesięciu MHz.

• Wielkiej częstotliwości – nawet do

kilku GHz.

Zasada działania

Tranzystory bipolarne oznacza się

pierwszymi literami słów baza, kolektor

(colektor) i emiter - BCE.

Zasada działania tranzystora bipolarnego od

strony 'użytkowej' polega na

sterowaniu

wartością prądu

kolektora za pomocą

prądu bazy.

(Prąd emitera jest zawsze sumą prądu

kolektora i prądu bazy).

Aby wyjaśnić najogólniejszą zasadę

działania wszystkich bez wyjątków

tranzystorów posłużę się przykładem

zaworu do wody. Otóż przyjmijmy, że

zawór ten można bardzo lekko otwierać

i zamykać i używając bardzo małej siły

sterować przepływem w grubej rurze.
Można więc powiedzieć, że ów zawór

jest wzmacniaczem, gdyż bardzo

niewielka siła z jaką działa nasza ręka

na kurek steruje o wiele większą siłą z

jaką napiera na zawór strumień wody.

Niewielki, słaby sygnał (=nasza ręka)

steruje przepływem silnego sygnału

dostarczanego ze źródła zasilania

(woda w zaworze). Ponieważ sygnał

podstawowy steruje przepływem w

swój takt więc i sygnał wyjściowy

będzie miał ten sam takt, a przy tym

będzie znacznie silniejszy (ręka kręci

zawór w różne strony i tak samo

zmienia się ilość wody przepływająca

przez zawór).

Tranzystory unipolarne =

polowe

Są to tranzystory w których ma miejsce transport
tylko jednego rodzaju ładunków

Układy scalone

• Układem

scalonym

nazywa

się

mikrostrukturę,

spełniającą

określoną

funkcje układową, w której wszystkie lub

część elementów są wykonane nierozłącznie

w podłożu lub umieszczone na podłożu.

• Układu takiego nie można rozłożyć na części

bez uszkodzenia, nie można również

zmieniać połą-czeń między elementami ani

ich naprawiać.

W urządzeniach elektronicznych układ

scalony jest

podstawowym,

pojedynczym i niepodzielnym

elementem, takim jak rezystor,

kondensator, dioda lub tranzystor w

technice konwencjonalnej.

Układy scalone są wynikiem prac zmierzających do jak

największej miniaturyzacji sprzętu elektronicznego,

przy jednocześnie zwiększonej nie-zawodności.

Technika minimodułowa pozwoliła uzyskać gęstość

upakowania rzędu kilku elementów w centymetrze

sześciennym, a technika mikromodułowa – rzędu

kilkunastu elementów w centymetrze sześciennym.

• W układach scalonych gęstość

upakowania jest obecnie rzędu
kilku

tysięcy

elementów

w

centymetrze

sześciennym,

a

wymiar

linio-wy

pojedynczego

elementu w układzie sca-lonym
jest rzędu mikrometrów.

• Miarą skali scalenia

jest liczba

podstawowych jednostek
funkcjonalnych (bramek) zawartych
w jednym układzie lub liczna
elementów (tranzystorów)

Wyróżnia się układy:

-

> małej skali scalenia

(integracji) SSI (ang.

Small Scale Integration), zawierające do 100

elementów;

> średniej skali scalenia (

integracji) MSI (ang.

Medium Scale Integratiion), zawierające od 100

do 1000 elementów;

> wielkiej skali scalenia

(integracji) LSI (ang.

Large Scale Integration), zawierające od 10

3

do

10

5

ele-mentów;

> bardzo wielkiej skali scalenia

VLSI

(ang. Very Large Scale integration),

zawierające ponad 10

5

ele-mentów.

Ze względu na wykonaną funkcję układy

scalone, podobnie jak wszystkie układy

elektroniczne, dzieli się na dwie grupy:

      1. Układy cyfrowe,
      2. Układy analogowe.

Układy analogowe

są przystosowane do

przetwarzania napięć (lub prądów), których

wartości zawierają się w pewnym przedziale

wartości.

Układy cyfrowe

służą do przetwarzania

sygnałów o dwóch wielkościach napięć

(ewentualnie prądów): wysokiej (H-high) i niskiej

(L- low).

Układy

scalone

pod

względem

technologicznym wykonuje się w postaci

monolitycznej

lub w postaci

hybrydowej

.

W

układach monolitycznych

wszystkie

elementy aktywne i pasywne wytwarza się

wewnątrz podłoża. Podłożem tym jest płytka

krzemowa. Połączenia między elementami są

dokonywane ścieżkami metalicznymi na

powierzchni pasującej warstwy dwutlenku

krzemu Si0

2

. Podstawowymi elementami

aktywnymi mogą być tranzystory bipolarne

lub unipolarne z izolowaną bramką. Stąd też

używa się określeń odpowiednio „układy

bipolarne” i „układy unipolarne”.

W

układach hybrydowych

do rezystorów i

kondensatorów produkowanych techniką war-

stwową dołącza się diody i tranzystory

dyskretne

lub

diody

i

tranzystory

monolityczne.

W

technice

warstwowej

elementy wytwarza się na podłożu izolacyjnym

(szkło, ceramika), będącym jednocześnie

podłożem konstrukcyjnym. Na tym podłożu

osadza się ścieżki połączeniowe oraz elementy

bierne: w układach cienkowarstwowych o

grubości ok. 0,05 µm, a w układach

grubowarstwowych o grubości ok. 10 µm

W

układach cyfrowych

, zwłaszcza LSI i VLSI,

podstawową technologią jest technologia MOS-

podstawowe

funkcje

układowe,

a

więc

tranzystorów, rezystorów i kondensatorów mogą

spełniać

tranzystory

MOSFET.

Wykonanie

tranzystora MOSFET wymaga mniejszej liczby

operacji niż wykonanie tranzystora bipolarnego. W

układach

monolitycznych

MOS

występuje

naturalna samoizolacja, podczas gdy odizolowanie

poszczególnych elementów w układzie bipolarnym

zajmuje

znaczny

obszar

płytki.

Gęstość

upakowania w układach scalonych MOS jest

większa niż w układach bipolarnych (powierzchnia

tranzystora MOSFET wynosi ok. 15*10

3

mm

2

).

Większe gęstości upakowania wiążą się z

możliwością uzyskania większej skali integracji.

Duże zalety mają scalone układy

komplemen-tarne MOS, tzw. układy

CMOS. W układach tych stosuje się

jednocześnie tranzystory z kanałem

typu N oraz P. wymaga to podatkowych

proce-sów technologicznych, jednak

umożliwia

wyko-nanie

cyfrowych

układów scalonych wysokiej jakości i o

bardzo małym poborze mocy.

Do nowszych technologii MOS należą m. in.

DMOS, VMOS, CTD i SOS.

Układy wykonane technologia

SOS

(ang.

Silicon on Sapphire – krzem na szafirze) są

wykorzystywane w aparaturze kosmicznej.

Technologia ta polega na osadzaniu

monokrystalicznych warstw krzemowych na

podłożu izolacyjnym – szafirze. Układy te

charakteryzują się dużą szybkością

działania i dużą odpornością na

promieniowanie kosmiczne.

Zalety układów scalonych:

•    zmniejszenie wymiarów i masy,
•     zwiększona niezawodność,
•   małe koszty,
•     dobre parametry,
•     duża szybkość działania i mały

pobór mocy.