Ответы на экзамен по электронике. Экз электроника. Первый билет Электрические свойства веществ. Полупроводники. Подвижные носители заряда в полупроводниках. Неподвижные заряды
 Скачать 3.79 Mb.
|
|
33. Фотолитография. Факторы, ограничивающие минимальный топологический размер Фотолитография — процесс избирательного травления поверхностного слоя оксида кремния с использованием защитной фотомаски с целью получения на поверхности подложки так называемой оксидной маски, которая используется для создания окон под избирательное легирование, а также контактных окон перед нанесением слоя металлизации. Фотолитография выполняется после окисления поверхности подложки и получения на ее поверхности защитной пленки оксида кремния. Процесс фотолитографии включает несколько этапов - подготовка поверхности, - нанесение фоторезиста, - совмещение подложки и фотошаблона, - экспонирование фоторезиста через фотошаблон, - проявление фоторезиста, - травление оксидного слоя в окнах фотомаски, - удаление фотомаски. Минимальные размеры элементов в целом зависят от возможностей фотолитографического процесса, которые характеризуются тремя основными параметрами 1) минимальным размером элемента, надежно воспроизводимым на полупроводниковой пластине, которым оценивается разрешающая способность процесса 2) предельными отклонениями размеров элементов рисунка одного топологического слоя от номинальных 3) предельным смещением рисунка одного топологического слоя относительно предыдущего например, базового слоя относительно коллекторного, эмиттерного относительно базового и т. д. Все эти параметры имеют характер технологических ограничений и учитываются при определении размеров областей в планете. при топологическом расчете. Основной тенденцией развития литографических процессов является повышение разрешающей способности этапа экспонирования рисунка. Важнейшей причиной, ограничивающей минимальные размеры элементов при экспонировании через фотошаблон, является дифракция света. Поэтому стремятся использовать излучения с более короткими, чем световые, длинами волн (электронные, рентгеновские. В связи с этим все большее развитие получают электроно- и рентгенолитография. 48. Принципы построения интегральных схем запоминающих устройств Интегральная схема (микросхема) – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала, накапливания информации и имеющее высокую плотность электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов, которые сточки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как единое целое. Интегральная схема — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности кристалл, изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус или без такового в случае вхождения в состав микросборки. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В тоже время выражение чип-компоненты означает компоненты для поверхностного монтажа (в отличие от компонентов для пайки в отверстия на плате. Технология изготовления Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия. Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок: o толстоплёночная интегральная схема o тонкоплёночная интегральная схема. Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой), содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и(или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус. Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла. Четвертый билет Концентрация носителей заряда в собственном и примесном полупроводнике В собственных полупроводниках концентрации свободных электронов и дырок равны (собственная концентрация Однако для электронных элементов и интегральных схем необходимы полупроводники спр е обладанием свободных электронов тип) и с преобладанием дырок (р – тип. Их называют также полупроводниками с электронной и дырочной проводимостью. Чтобы получить полупроводник типа, в него при изготовлении кристалла добавляют донорную примесь. Атомы такой примеси имеют большую, чем сам полупроводник, валентность. Например, в кремний (число валентных электронов на внешней электронной оболочке равно 4) может быть добавлен фосфор (валентность5).Это означает, что в полупроводнике появятся избыточные электроны, не участвующие в образовании связей между атомами. Такие электроны легко становятся свободными, достигается преобладание свободных электронов[2].Преобладающие по количеству носители называются основными. Неосновных носителей обычно на несколько порядков меньше. На рис изображена энергетическая диаграмма полупроводника типа Донорная примесь порождает разрешённые уровни в запрещённой зоне, вблизи дна зоны проводимости. Электроны с таким уровнем энергии становятся свободными при приобретении очень небольшой дополнительной энергии, энергии активации акт. Поэтому активация примеси происходит уже при низких температурах, когда термогенерация подвижных носителей самим полупроводником незначительна. Зависимость концентрации свободных электронов n от температуры Т приобретает вид рис. Участок 1 этой зависимости соответствует быстрому росту концентрации за счет активации примеси. Рост прекращается, когда будут активированы все атомы примеси (участок2).В области высоких температур рост возобновляется за счёт усиления термогенерации атомами самого полупроводника(участок3). На этом же рисунке показана экспоненциальная зависимость концентрации ni для собственного полупроводника. По сравнению с ним примесный полупроводник обладает большим достоинством – наличием обширного участка 2 с практически неизменной концентрацией и проводимостью в большом диапазоне температур T1 –T2. Выбирая концентрацию донорной примеси д при изготовлении можно получать желательные и стабильные параметры полупроводника в необходимом диапазоне температур. При этом обеспечивается соотношение Аналогичные изменения происходят при добавлении акцепторной примеси для изготовления полупроводника р – типа. Такая примесь, например бор с валентностью имеет меньшую, чем кремний, валентность, что приводит к дефициту валентных электронов. Достигается преобладание дырок. Появление акцепторных атомов приводит к появлению разрешённых уровней в запрещённой зоне вблизи потолка валентной зоны Эти уровни легко заполняются валентными электронами, для чего требуется небольшая дополнительная энергия активации акт. Температурная зависимость концентрации дырок такая же, как и у полупроводника n – типа На термостабильном участке выполняется аналогичное(10)соотношение При утрате одного из пятивалентных электронов донорного атома он превращается в положительно заряженный ион. Суммарный заряд этого иона и порождённого донорным атомом свободного электрона равен нулю, полупроводник остаётся электрически нейтральным. Однако, если свободный электрон исчезнет, например в результате рекомбинации, заряд иона становится заметным, электрическая нейтральность нарушается. Такие ионы называются нескомпенсированными ионами донорной примеси. Каждый такой ион, как и дырка, имеет заряд +q, однако в отличие от дырки является неподвижным зарядом. Чем больше таких ионов, тем сильнее создаваемое ими электрическое поле, которое влияет на процессы в полупроводнике. Аналогично, при захвате акцепторным атомом недостающего валентного электрона, он превращается в отрицательно заряженный ион. Возникшая при этом дырка уравновешивает заряд иона, однако, если дырка исчезает из окрестности иона, ион становится нескомпенсированным ионом акцепторной примеси с зарядом –q. Суммарное электрическое поле таких ионов также влияет на процессы в полупроводнике. Для определения собственной концентрации заданного полупроводника при заданной температуре : где NC и NV эффективные плотности уровней в зоне проводимости и валентной зоне, З ширина запрещенной зоны, Т термический потенциал. 19.МДП транзистор с плавающим затвором Арсенид-галлиевый полевой транзистор. Устройство МДП-транзистора с плавающим затвором изображено на рис. В таком транзисторе есть два металлических слоя, выполняющих функцию двух затворов. На верхний, обычный затвор, может быть подано внешнее напряжение Uзи в виде короткого импульса, рис. 31. Возникает электрическое поле, которое заряжает внутренний, плавающий затвор. В зависимости от знака поданного Uзи, заряд плавающего затвора будет + Q или –Q. Этот заряд, в свою очередь, создает вокруг себя электрическое поле, проникающее в полупроводник. При +Q в полупроводнике возникает режим инверсии. Образуется канал, транзистор открыт. При отрицательном Uзи плавающий затвор приобретает заряд. Канал исчезает (закрытое состояние. Главное свойство такого транзистора - заряд плавающего затвора не исчезает после отключения Uзи. Благодаря тому, что плавающий затвор со всех сторон окружён высококачественным диэлектриком, пути для тока разряда нет и заряд затвора сохраняется в течение нескольких лет. В течение этого же времени сохраняется открытое или закрытое состояние. Таким образом, МДП-транзистор с плавающим затвором обладает свойствами ячейки памяти, способной хранить бит информации. Запись открытого состояния (условно единицы) осуществляется подачей на затвор короткого положительного импульса, рис. Стирание прежнего заряда и переход в закрытое состояние (запись нуля)осуществляется подачей короткого отрицательного импульса. МДП-транзисторы с плавающим затвором и их разновидности получили исключительно широкое распространение в современной электронике. На их использовании, в частности, основывается работа флеш-памяти. 34. Диффузия примесей, эпитаксия, напыление Диффузия примесей через окна в маске осуществляется диффузия примесей в полупроводник в необходимых местах. Для этого кремниевые пластины с будущими ИС помещают в так называемую диффузионную печь. В ней создается атмосфера, содержащая донорную или акцепторную примесь в газообразном состоянии при высокой температуре. Примесь проникает через окна в полупроводники превращает его в полупроводник n- или p- типа. Концентрация примеси в полупроводнике тем больше, чем больше температура и время такой обработки. Вероятность проникновения атомов примеси вглубь полупроводника уменьшается с увеличением расстояния от поверхности. Существенным недостатком операции диффузии является формирование неоднородных слоёв с убывающей с глубиной концентрацией примеси. Эпитаксия Однородные слои примесного полупроводника, в которых концентрация примеси одинакова по всей толщине примесного слоя, позволяет получить операция эпитаксия. Эпитаксия использует способность кристаллов расти, когда они захватывают, присоединяют к себе атомы такого же вещества из окружающей среды. Для этого кремниевую подложку помещают в атмосферу, содержащую газообразный атомарный кремний. Атомы кремния оседают на поверхности подложки в строгом порядке, повторяющем кристаллическую структуру подложки. Если в атмосферу газообразного кремния добавлена газообразная донорная или акцепторная примесь, наращенный слой будет полупроводником n- или p- типа. При неизменности условий эпитаксии будет неизменной и концентрация примеси во всем эпитаксиальном слое. Толщина эпитаксиального слоя, как ив случае диффузии примесей, тем больше, чем больше температура и время обработки подложки. Напыление При изготовлении ИС применяется также операция напыления самых различных веществ – металлов, диэлектриков, полупроводников. Для этого напыляемое вещество нагревается в вакууме до температуры испарения. Пары вещества, оседая на всех холодных поверхностях, например, на подложке, конденсируются, те. возвращаются в твёрдое состояние. Толщина напыленного слоя зависит, прежде всего, от длительности такой операции. С помощью напыления, в частности, создаются металлические плёнки, образующие контакты металл-полупроводник и проводники между элементами. 49. Ячейки памяти интегральных схем запоминающих устройств Простейшей возможностью записи информации в матричное ЗУ является изготовление в местах пересечений проводников пережигаемых перемычек, рис. 35. Они выполняются в виде предельно тонкого проводника, изготовленного напылением металла на поверхность подложки. При программировании прошивке) такого ЗУ в соединительные цепочки подаётся ток, достаточный для теплового разрушения, пережигания перемычки. Если ток не подаётся, перемычка остаётся и обеспечивает соединение. Поскольку восстановить разрушенные перемычки нельзя, информацию в таком ЗУ обновить нельзя (постоянное запоминающее устройство, ПЗУ. Информация в нём сохраняется независимо от подачи энергии, поэтому такое ПЗУ энергонезависимое. В перепрограммируемых ЗУ, в том числе в флеш памяти, роль перемычки выполняет МДП транзистор с плавающим затвором, способный сохранять открытое или закрытое состояние. В оперативных ЗУ (ОЗУ) процессы записи и считывания должны быть предельно быстрыми. Наибольшее быстродействие ОЗУ обеспечивается при использовании бистабильных ячеек. На рис. 36 показана схема простейшей бистабильной ячейки на канальных МДП транзисторах. Здесь Т и Т – основные транзисторы ячейки, Т и Т выполняют функцию МДП- резисторов. Т открывает доступ к ячейке. При управляющем напряжении упр больше порогового напряжения Тон открывается, что делает возможным режим считывания или записи. Когда Т закрыт, обеспечивается режим хранения. Работа бистабильной ячейки основывается на использовании положительной обратной связи (ПОС. Пусть, например, в исходном состоянии Т закрыта Т открыт. При подаче через Т короткого положительного импульса (логической единицы) Т откроется, появившийся в нем ток создаст на Т значительное падение напряжения. В результате напряжение сток-исток Т резко упадёт. Это напряжение одновременно является напряжением затвор-исток Т. Поэтому Т закроется, его напряжение сток-исток резко возрастёт. Большое напряжение на выходе ячейки означает, что вне записана логическая единица. Как исходное, таки установившееся состояния являются абсолютно устойчивыми, чем обеспечивается хранение записанной информации. Изменить состояние можно будет только подачей в ячейку низкого напряжения (записью нуля. Благодаря ПОС процессы изменения состояния происходят очень быстро Пятый билет 5. Диффузионный и дрейфовый ток Дрейфовым током называется ток, обусловленный движением носителей заряда под действием электрического поля. В общем случае дрейфовый ток может иметь электронную и дырочную составляющие. Направленное движение носителей заряда может быть также результатом диффузии. Если происходит диффузия заряженных частиц, наблюдается направленное перемещение зарядов, те. возникает диффузионный ток Диффузионный ток невозможен в однородной среде, концентрация подвижных зарядов в которой везде одинакова, а также при нулевой абсолютной температуре. Плотности электронного и дырочного диффузионного токов, обусловленных диффузией свободных электронов и дырок J дф.n = qD n dn/dx J дф.p = - qD p dp/dx где D n и D p – коэффициенты диффузии свободных электронов и дырок и dp/dx – градиенты концентрации свободных электронов и дырок. Коэффициенты диффузии, как и коэффициенты подвижности, характеризуют среднюю скорость движения свободных электронов и дырок. Она зависит от количества столкновений электронов с атомами кристаллической решётки, а также от температуры, поскольку с ростом температуры растет скорость хаотического теплового движения. Поэтому коэффициент диффузии пропорционален коэффициенту подвижности и температуре D = μkT/q где k – постоянная Больцмана T – абсолютная температура. Градиент концентрации – это вектор, величина которого равна скорости увеличения или уменьшения концентрации в некотором направлении. В общем случае он указывает направление наискорейшего увеличения концентрации или наискорейшего её уменьшения (антиградиент). В формулах J дф.n = qD n dn/dx и J дф.p = - qD p dp/dx используются одномерные градиенты, учитывающие изменение концентрации в главном направлении x. На рисунке изображен образец полупроводника, в левой части p+ которого концентрация дырок больше, чем в правой части р. Ниже построены зависимости концентрации и градиента концентрации дырок от координаты x. В переходной области будет происходить диффузия дырок слева направо. В глубине областей, где полупроводник однороден, диффузии не будет. Дырки в образце движутся вдоль положительного направления x. Согласно J дф.p = - qD p dp/dx , отрицательный градиент образца дал бы отрицательное значение плотности тока и току, если бы это выражение не имело отрицательный знак. 20. Биполярный транзистор. Схемы включения. Режимы Биполярный транзистор является электронным элементом с двумя р переходами. Здесь изображён БТ со структурой р, хотя возможна, но менее распространена p + –n -p структура. В работе таких БТ принципиальных отличий нет. Области БТ получили следующие названия n + – эмиттер область, испускающая носители р – база и n (область справа) – коллектор (те. область, собирающая носители. Каждая область снабжена омическими контактами металл-полупроводник, служащими для подключения к внешним цепям. Названия внешних контактов такие же, как у областей – эмиттер, база, коллектор. P-n переход между эмиттером и базой получил название эмиттерный переход, между базой и коллектором – коллекторный переход. Важнейшими особенностями конструкции являются 1) малая толщина базы, не более 0,5 мкм 2) малая концентрация примеси в базе, порядка 1016 см 3) большая концентрация примеси в эмиттере, до 1020 см. Только при соблюдении перечисленных условий БТ способен проявлять свои главные свойства усиливать электрические сигналы, а также работать в качестве ключа. Возможны четыре режима БТ: 1) |