Puslaidininkai
5 (100%) 1 vote

Puslaidininkai

Turinys

Įvadas

1. Terminės difuzijos proceso tyrimas.

1.1 Priemaišų pasiskirstymas, kai difuzija vyksta iš begalinio šaltinio.

1.2 Difuzinio srauto tankio ir legiravimo dozės kitimas laike, kai difuzijos šaltinis

begalinis.

1.3 Priemaišų pasiskirstymas, kai difuzijos šaltinis ribotas.

1.4 Priemaišų įvedimo ir pasiskirstymo temperatūrų įtaka pn sandūros gyliui.

1.5 Priemaišų pasiskirstymas tranzistoriuje formuojamame dvikartės difuzijos

būdu.

2. Paviršinių akustinių bangų juostinio filtro projektavimas.

2.1. Paviršinio akustinių bangų juostinio filtro skaičiavimai.

2.2. Grafiko aptarimas.

ĮVADAS

Sukūrus planarinę diskretinių tranzistorių gamybos technologiją, atsirado galimybės realizuoti grupinius tranzistorių gamybos metodus – apdorojant vieną puslaidininkinę plokštelę, gaminti didelį tranzistorių skaičių. Be to susidarė prielaidos sukurti puslaidininkinę integralinę schemą (IS).

Integracinės schemos – konstrukcinės, technologinės ir mokslinės bei techninės integracijos rezultatas. Integracija – tai dalių, elementų jungimas į visumą. Konstrukcinė integracija pasireiškia tuo, kad visi elektrinės schemos elementai integralinėje schemoje sudaro nedalomą visumą. Technologinės integracijos esmę sudaro tai, kad integralinių schemų gamyboje taikomi grupiniai gamybos metodai. Pagaliau mokslinė bei techninė integracija pasireiškia tuo, kad integracinių schemų gamyboje taikomi naujausi fizikos, chemijos, metalurgijos, metrologijos bei kitų mokslo ir technikos šakų laimėjimai.

Elektroninės aparatūros ir kompiuterizuotų informacinių sistemų pagrindą sudaro puslaidininkiniai integriniai grandynai (IG). Integrinių grandynų gamybai plačiai taikomas priemaišų difuzijos mechanizmas.

Šiame darbe išdėstoma puslaidininkių legiravimo teorija, difuzijos mechanizmo modeliai, Fiko lygčių sprendiniai analizuojami silicio planariosios technologijos difuzijos procesai, difuzinių sluoksnių parametrų skaičiavimas ir matavimo metodai. Jonų implantacijos fizikiniai pagrindai priemaišų koncentracijų pasiskirstymo profiliai.

Difuzijos procesas silicio puslaidininkių integrinių grandinių technologijoje taikomas aktyviųjų (tranzistorių, diodų) ir pasyviųjų (rezistorių, kondensatorių, jungiamųjų takelių) elementų struktūroms formuoti. Siekiant gauti reikalingą savitąją puslaidininkio varžą arba pakeisti laidumo tipą, į silicio kristalą įterpiami kito elemento (III arba V gr. Periodinės Mendelejevo sistemos) atomai.

1. Terminis priemaišų difuzijos proceso tyrimas

Difuzija (lot. diffusio – sklidimas) vadinamas kryptinis medžiagos sklidimas koncentracijos mažėjimo kryptimi dėl jos dalelių chaotiškojo judėjimo. Gaminant puslaidininkinius prietaisus ir puslaidininkines integralines schemas, difuzijos reiškinys panaudojamas puslaidininkinių legiravimui. Įvedus, aukštoje temperatūroje, difuzijos būdu į paviršinį puslaidininkio sluoksnį priemaišų, galima pakeisti to sluoksnio laidumo tipą arba sudaryti lokalines kitokio laidumo tipo sritis.

Terminė priemaišų difuzija vyksta dėl difunduojančios medžiagos – difuzanto – koncentracijos gradiento.

Priemaišų atomai į kietuosius kūnus gali skverbtis keliais būdais: užimdami vakansijas, prasisprausdami tarp mazgų ir pasikeisdami vietomis su gretimais atomais (1pav.). 1pav. Priemaišų atomų difuzija per vakansijas (a), per tarpmazgius (b)

ir pasikeičiant vietomis su gretimais puslaidininkio atomais (c)

Tikimiausias yra pirmasis priemaišų atomų difuzijos mechanizmas, kur aukštoje temperatūroje vakansijų gali būti gana daug. Jos atsiranda kaip Šotkio arba Frenkelio defektai. Kylant temperatūrai, vakansijų koncentracija auga, priemaišų atomų skverbimosi per vakansijas tikimybė didėja. Beje, reikia pastebėti, kad didėjant prasiskverbusių į padėklą priemaišų koncentracijai ir dėl to mažėjant vakansijų koncentracijai, svarbesnis pasirodo antras priemaišų skverbimosi kelias – per tarpmazgius. Mažiausiai tikėtinas trečiasis priemaišų skverbimosi būdas, nes gretimi atomai gardelės mazguose gali pasikeisti vietomis tik gavę gana didelę energiją.

Kai temperatūra prilygsta Tomano temperatūrai (pusė medžiagos lydymosi temperatūros), kietuose kūnuose atomų judėjimas gardelėje intensyvėja ir sukelia difuziją. Energija reikalinga atomo šuoliui kristalinėje gardelėje, vadinama difuzijos aktivacine energija.

Difuzijos proceso greitį apibūdina difuzijos koeficientas. Terminis priemaišų difuzijos koeficientas D paprastai išreiškiamas kvadratiniais centimetrais per sekundę (cm2/s). Jo skaitinė reikšmė reiškia dalelių, praeinančių pro 1 cm2 plotą per 1s, kai priemaišų koncentracijos gradientas lygus 1 cm-4.

Kylant temperatūrai, taškinių defektų skaičius kristale didėja kartu su difuzijos koeficientu. Difuzijos koeficientas puslaidininkyje ima priklausyti nuo priemaišų koncentracijos didėjimo. Kylant temperatūrai, difuzijos koeficientas sparčiai didėja. Priklausomybė D(T) išreiškiama Arenijaus lygtimi:

D=D0e –Wa/kt (1.1)

čia:

D0 – proporcingumo koeficientas;

Wa – difuzijos proceso aktyvacijos energija;

k – Bolcmano konstanta;

T – difuzijos proceso temperatūra.

Koeficientas D0
priklauso nuo puslaidininkio ir priemaišų tipo, kristalografinės krypties, kuria vyksta difuzija, ir pradinės priemaišų koncentracijos. Aktyvacijos energija Wa priklauso nuo puslaidininkio, priemaišų tipo ir difuzijos mechanizmo. Jei į silicį difunduoja boras, tai Wa  3.7 eV; jei fosforas – 4.4 eV.

Kadangi koeficientas D0 ir aktyvacijos energija Wa priklauso nuo daugelio faktorių, tai (1.1) lygtis gerai tinka tik difuzijos koeficiento D priklausomybių nuo T ir Wa pobūdžiui išreikšti. Praktikoje priemaišų difuzijos koeficientas randamas iš literatūroje pateikiamų grafikų, sudarytų remiantis eksperimentų rezultatais.

Difuzijos teorija pagrįsta dviem dėsniais, kuriuos 1855 m. suformulavo šveicarų mokslininkas A. Fikas (Fick).

Pirmasis Fiko dėsnis apibūdina vienos medžiagos atomų skverbimosi į kitą, greitį, kai šių atomų srautas ir koncentracijos gradientas užrašomas tokia formule:

Ī = -D•Δ•N (1.2)

I – difunduojančių atomų srauto tankio vektorius (skaičius atomų, prasiskverbiančių pro ploto vienetą per laiko vienetą); D – difuzijos koeficientas; N – difunduojančių atomų koncentracijos vektorius tūrio vienete; Δ – gradiento operatorius.

Ši lygtis nusako, kad difunduojančių atomų srauto tankis yra proporcingas koncentracijos gradientui. Minuso ženklas rodo, kad difuzija vyksta koncentracijos mažėjimo kryptimi.

Jeigu manysime, kad mus dominanti difuzija vyksta tik viena kryptimi – į gylį x (vertikalioji difuzija į plokščią lygiagrečią struktūrą), tai lygties (1.2) vienmatė išraiška bus tokia:

I = (1.3)

Kai = 1, I = -D, t. y. difuzijos koeficientas lygus srautui su priešingu ženklu. Kai = 0, I = 0, t. y. kai koncentracijos gradiento nėra – nėra ir srauto.

Antrasis Fiko dėsnis: nusako priemaišų kaupimosi greitį statmeną difuzijos krypčiai. Priemaišinių atomų koncentracijos pasikeitimas tūrio vienete per laiko intervalą turį būti lygus šių priemaišų difuzijos srauto sumažėjimui tokiame pat tūryje, t. y.

= . (1.4)

Lygtį (1.3) įrašę į lygtį (1.4), gausime antrąjį Fiko dėsnį, taikomą vienmatei erdvei:

= (1.5)

Kai priemaišų koncentracijos yra mažos, difuzijos koeficientas D = const, lygtį (1.5) galime užrašyti taip:

= (1.6)

Trimatės erdvės lygtis (1.6) atrodo taip:

= , (1.7)

Arba: = D•Δ•N,

Čia Δ – Laplaso operatorius.

Difuzijos koeficientas D priklauso nuo temperatūros, priemaišinių atomų ryšio energijos kristalinėje gardelėje, vakansijų koncentracijos, gardelės konstantos ir kitų dydžių.

1.1 Priemaišų pasiskirstymas, kai difuzija vyksta iš begalinio šaltinio

Praktikoje naudojamus terminės priemaišų difuzijos režimus gana gerai atitinka du paprasti teoriniai modeliai: difuzija iš neišsenkančio (begalinio) šaltinio ir difuzija iš riboto šaltinio.

Laikoma, kad difuzijos šaltinis yra neišsenkantis, jei priemaišų koncentracija kristalo paviršiuje nekinta, t.y., jei N (0,t) = N0 = const, kai t  0. Atsižvelgus į pradinę sąlygą N(x,t) = 0, kai x>0 ir t = 0, bei ribinę sąlygą N(x,t) = 0, kai x ir t0 , gaunamas toks antrosios Fiko diferencialinės lygties sprendinys:

(1.1.1)

čia: erfc – papildoma paklaidų funkcija (error function complement), išreiškiama formule :

(1.1.2)Pagal (1.4) priemaišų koncentracijos pasiskirstymą lemia difuzijos koeficientas D (proceso temperatūra T) ir difuzijos proceso trukmė t. Priemaišų koncentracijos profilio kitimą vaizduoja 1.1 paveikslo kreivės.

1.1 pav. Priemaišų koncentracijos pasiskirstymo kitimas, vykstant difuzijai iš

neišsenkančio šaltinio: 1 – Dt=0 ; 2 – Dt=(Dt)1 ; 3 – Dt=(Dt)2>(Dt)1; 4 – Dt

1.1 paveiksle matyti, kad, vykstant difuzijai iš neišsenkančio šaltinio, didesniame gylyje priemaišų koncentracija mažesnė. Tam tikrame gylyje, kol vyksta difuzija, priemaišų koncentracija didėja. Jei difuzijos procesas truktų pakankamai ilgai, priemaišų koncentracija bet kuriame gylyje taptų tokia pat kaip paviršiuje.

1.2 Difuzinio srauto tankio ir legiravimo dozės kitimas laike, kai difuzijos šaltinis begalinis

Nuo difuzijos proceso temperatūros ir trukmės priklauso ir legiravimo dozė Q – skaičius priemaišų atomų, praėjusių pro vienetinį padėklo paviršiaus plotą per difuzijos laiką t. Pagal (1.3) priemaišų atomų srauto pro padėklo paviršių tankis

Šiuo metu Jūs matote 31% šio straipsnio.
Matomi 1237 žodžiai iš 4024 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.