КР Микроэлектроника. Курсовая. Введение Интегральный биполярный транзистор
 Скачать 0.81 Mb.
|
|
Содержание Введение………………………………………………………………………....3 Интегральный биполярный транзистор………………………………….....4 Расчёт распределения примеси в кремнии после диффузионного легирования при создании биполярного n-p-n-транзистора……………...8 Расчёт базового слоя…………………………………………………..8 Расчёт эмиттерного слоя……………………………………………...10 Построение графиков распределения примеси в биполярном транзисторе n-p-n-типа……………………………………………………………………..13 Заключение…………………………………………………………………..15 Список использованных источников……………………………………….16 Введение Электроника – это область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных приборов и принципов их использования. Микроэлектроника – это раздел электроники, охватывающий исследования и разработку качественно нового типа электронных приборов – интегральных микросхем – и принципов их применения. Интегральная микросхема (или просто интегральная схема - ИС) – совокупность большого количества взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов…), изготовленная в едином технологическом цикле, на одной и той же несущей конструкции – подложке, и выполняющая определённую функцию преобразования информации. К таким полупроводниковым структурам относятся контакты металл-полупроводник, электронно-дырочные переходы, структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). ИС, являющиеся элементной базой микроэлектроники, предназначены для реализации подавляющего большинства аппаратурных функций. Их элементы, аналогичные обычным радиодеталям и приборам, выполнены и объединены внутри или на поверхности общей подложки, электрически соединены между собой и заключены в общий корпус. Термин «интегральная схема» (ИС) отражает факт интеграции отдельных компонентов схемы и конструктивно единый прибор, а также факт усложнения выполняемых этим прибором функций по сравнению с функциями дискретных компонентов. Компоненты ИС не могут быть выделены в качестве самостоятельных элементов. Основной задачей микроэлектроники является комплексная микроминиатюризация электронной аппаратуры – вычислительной техники, аппаратуры связи, устройств автоматики. На определённых этапах становится невозможно решать новые задачи старыми методами, например, с помощью электронных ламп, дискретных транзисторов. Решением этой проблемы служит микроэлектроника, основные критерии которой – это массогабаритные характеристики, надёжность, стоимость, мощность. В микроэлектронике, в целях упрощения и ускорения технологического процесса, применяется групповой метод производства, где, на одной пластине полупроводникового материала изготавливается сразу большое количество ИС. И, если позволяет технологический процесс, то одновременно обрабатываются десятки таких пластин. В последние годы линейные размеры элементов микроэлектроники приблизились к единицам и десятым долям микрометра (100нм). Также имеет место применение структур с размерами менее 100нм. 1 Интегральный биполярный транзистор Биполярный транзистор – это полупроводниковая структура, состоящая из двух последовательных p-n-переходов. Существует два основных типа биполярных транзисторов, различных по структуре: p-n-p-структура и n-p-n-структура. Интегральные биполярные транзисторы изготавливаются по планарной или планарно-эпитаксиальной технологии. Методом диффузии в кристалле создаются области коллектора, базы и эмиттера (рис. 1.1). На рисунке транзистор показан в разрезе и в плане. Структура транзистора углубляется в кристалл не более чем на 15 мкм, а линейные размеры транзистора на поверхности не превышают нескольких десятков микрометров.  Рисунок 1.1 – Структура интегрального биполярного транзистора Как правило, изготовляются транзисторы типа n-p-n. Внутренний (скрытый) слой с повышенной концентрацией примесей n+ в коллекторе служит для уменьшения сопротивления и, следовательно, потерь мощности в области коллектора. Но у коллекторного перехода область коллектора должна иметь пониженную концентрацию примесей, чтобы переход имел большую толщину. Тогда емкость у него будет меньше, а напряжение пробоя выше. Область эмиттера также часто делают типа n+ для уменьшения сопротивления и увеличения инжекции. Сверху на транзисторе создается защитный слой оксида SiО2. От областей коллектора и базы часто делают по два вывода, для того чтобы можно было соединить данный транзистор с соседними элементами без пересечений соединительных линий. Такие пересечения весьма нежелательны, так как они значительно усложняют производство. Действительно, в месте пересечения на нижнюю соединительную линию надо нанести диэлектрическую пленку, а поверх нее нанести верхнюю соединительную линию, т. е. надо сделать две лишние технологические операции. Кроме того, место пересечения всегда представляет опасность в отношении пробоя от случайных перенапряжений. Типичные параметры биполярных транзисторов полупроводниковых ИС таковы: коэффициент усиления тока базы 200, граничная частота до 500 МГц, емкость коллектора до 0,5 пФ, пробивное напряжение для коллекторного перехода до 50 В, для эмиттерного до 8 В. Удельное сопротивление n - и p -слоев составляет несколько сотен, а n+-слоев - не более 20 Ом/см. Необходимо обратить внимание на то, что в полупроводниковых ИС всегда образуются некоторые паразитные элементы. Например, из рис. 4.9 видно, что наряду с транзистором типа n-p-n созданным в кристалле типа р, существует паразитный транзистор p-n-p, который образуется кристаллом, областью коллектора и областью базы транзистора. А транзистор n-p-n вместе с кристаллом образует паразитный тиристор n-p-n-p. Вследствие наличия обратного напряжения на изолирующем переходе паразитные транзисторы и тиристор нормально заперты, но при попадании в них каких-либо импульсов помех, может произойти нежелательное отпирание и срабатывание этих элементов.  Рисунок 1.2 – Структура биполярного n-p-n-транзистора с выделенным паразитным p-n-p-транзистором С целью создания диодных и транзисторных структур применяется диффузионное легирование полупроводниковой пластины при высоких температурах. Так же имеет место иной способ легирования – ионная имплантация. Диффузия может быть общей – когда она осуществляется по всей поверхности пластины, и локальной – в определённых участках, через окна маски.  Рисунок 1.3 – Общая (а) и локальная (б) диффузия примесей в кремний При общей диффузии происходит неоднородное распределение примеси по глубине  (рис. 1.3а). В случае локальной диффузии, примесь распространяется не только в глубь, но в перпендикулярных направлениях, т.е. под маску (рис. 1.3б).Диффузию можно производить многократно. Например, в пластину n-типа во время первой стадии внедрить слой p-типа, а во время второй стадии – в полученный слой p-типа внедрить донорную примесь, но уже на меньшую глубину. Тем самым получится 3-х слойная структура. Также следует иметь в виду, что концентрация каждой новой вводимой примеси должна превышать концентрацию предыдущей. В  недрение примесей обычно производят с помощью газотранспортных систем, например, в однозонных, либо двухзонных диффузионных печах (рис. 1.4).Рисунок 1.4 – Схема двухзонной диффузионной печи Двухзонные печи используются в случае твёрдых диффузантов. В таких печах имеются 2 высокотемпературные зоны (рис. 1.4): одна – для испарения диффузанта, вторая – для диффузии. Пары диффузанта, полученные в первой зоне, примешиваются к потоку нейтрального газа-носителя и поступают во вторую зону с пластинами. Во второй зоне температура выше чем в первой, здесь атомы диффузанта внедряются в пластины кремния, а другие составляющие химического соединения уносятся газом-носителем из зоны. В случае жидких или газообразных диффузантов нет необходимости в их высокотемпературном испарении, поэтому используются однозонные печи, в которые источник диффузанта поступает уже в газообразном состоянии. Теория диффузии основана на двух законах Фика. 1-ый закон Фика связывает плотность потока частиц с градиентом их концентрации:  где  - коэффициент диффузии,  - концентрация.2-ой закон Фика характеризует скорость накопления частиц:  Решая уравнение (1.2) при условии неограниченного источника примеси – когда примесь непрерывно поступает к пластине, можно получить функцию распределения примеси  : где  – дополнительная функция ошибок, близкая к экспоненциальной функции  ,  – приповерхностная концентрация примеси,  – время протекания процесса,  – глубина.При условии ограниченного источника примеси – когда в поверхностный слой вводят некоторое количество атомов диффузанта, после чего источник диффузии отключают и атомы примеси перераспределяются по глубине пластины при неизменном их общем количестве, мы получим так называемую функцию Гаусса.:  где  - количество атомов примеси на единицу площади.2 Расчёт распределения примеси в кремнии после диффузионного легирования при создании биполярного n-p-n-транзистора Исходные данные: Акцепторная примесь – В (бор); Температура процесса диффузии для акцепторной примеси – Т = 1400 К; Время диффузии для акцепторной примеси – t = 2 ч = 7200 сек; Донорная примесь – Р (фосфор); Температура процесса диффузии для донорной примеси – Т = 1350 К; Время диффузии для донорной примеси – t = 2.2 ч = 7920 сек; Формирование базового слоя проводят диффузией из ограниченного источника примеси. На поверхность пластины наносятся атомы акцепторной примеси с концентрацией –  . Формирование эмиттерного слоя проводят диффузией из бесконечного источника донорной примеси. Поверхностная концентрация примеси, близкая к значениям предельной твердой растворимости примеси в данном полупроводниковом материале –  .Эпитаксиальный слой n-типа, в который проводят диффузию, имеет концентрацию примеси –  .2.1 Расчёт базового слоя С помощью закона Аррениуса для температурной зависимости коэффициента диффузии найдём коэффициент диффузии акцепторной примеси:  где  – коэффициент, зависящий от рода полупроводника и диффундирующей примеси;  – энергия активации процесса диффузии  ;  – постоянная Больцмана;  – абсолютная температура процесса диффузии,  .Согласно справочной литературе, для диффузии атомов бора в кремнии – коэффициент  , энергия активации процесса   . Тогда:  Рисунок 2.1.1 – График температурной зависимости коэффициента диффузии бора Распределение примеси подчиняется закону Гаусса (1.4):  Введём в расчётную таблицу 2.1.1 значения глубины залегания примеси , соответствующие им значения экспоненциального множителя  и значения функции  . Множитель  - остаётся неизменным и равен: Таблица 2.1.1 – Расчёт значений концентрации акцепторной примеси
 Рисунок 2.1.2 – График примесного профиля базовой области 2.2 Расчёт эмиттерного слоя С помощью закона Аррениуса (2.1) для температурной зависимости коэффициента диффузии найдём коэффициент диффузии донорной примеси. Согласно справочной литературе, для диффузии атомов фосфора в кремнии – коэффициент  , энергия активации процесса   . Тогда:  Рисунок 2.2.1 – График температурной зависимости коэффициента диффузии фосфора Условия проведения диффузии донорной примеси соответствуют уравнению (1.3):  Введём в расчётную таблицу 2.2.1 значения глубины залегания примеси , соответствующие им значения функции  и значения функции  - предварительно рассчитанные в программе Mathcad.Таблица 2.2.1 - Расчёт значений концентрации донорной примеси
 Рисунок 2.2.2 – График примесного профиля эмиттерной области Файл Mathcad – расчёт функции  : 3 Построение графиков распределения примеси в биполярном транзисторе n-p-n-типа Глубина коллекторного перехода определяется расстоянием, на котором концентрация акцепторной примеси равна концентрации донорной примеси эпитаксиального слоя ( ). Глубина эмиттерного перехода определяется расстоянием, на котором концентрация донорной примеси эмиттерного слоя равна концентрации акцепторной примеси базового слоя.Построим совмещённый график распределения примеси эмиттерной, базовой и коллекторной областей. Рисунок 3.1 – Совмещённый график распределения примеси в транзисторе Для определения глубины залегания эмиттерной области необходимо вычислить  –координату точки пересечения графиков распределения донорной примеси эмиттерной области и акцепторной примеси базовой области. Так же, для определения глубины залегания базовой области, следует вычислить  –координату точки пересечения графика распределения акцепторной примеси базовой области с уровнем концентрации донорной примеси эпитаксиального слоя (коллекторной области). Для этого воспользуемся программой Mathcad.Файл Mathcad – расчёт точек пересечения графиков:  Глубина залегания эмиттерной области:  мкм. В этой точке концентрация донорной примеси эмиттерной области равна концентрации акцепторной примеси базовой области:  Глубина залегания базовой области:  мкм. В этой точке концентрация акцепторной примеси базовой области равна концентрации донорной примеси эпитаксиального слоя: Отсюда ширина базового слоя:  мкмПостроим итоговый график концентраций примесей в каждой области транзистора.  Рисунок 3.2 – График распределения эффективных концентраций примесей в биполярном n-p-n транзисторе Заключение В ходе выполнения данной работы были изучены технологические процессы моделирования микроэлектронных устройств, изучены методики расчета параметров интегрального биполярного транзистора. При расчётах были применены основные законы диффузии и рассмотрены зависимости параметров полученных компонентов от условий технологического процесса их формирования. Также приобретены навыки информативного представления расчётных данных, а также получены навыки работы с компьютерным ПО автоматизированного проектирования и математических расчётов. Список использованных источников Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов.- 2 изд., перераб. И доп.-М.:Лаборатория базовых знаний, 2001.-488 с. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов / Н.А.Аваев, Ю.Е. Наумов, В.Т. Фролкин.- М.:Радио и связь, 1991.-288 с. Коэффициенты диффузии и энергии активации бора и фосфора взяты из источника: В.А. Никоненко. Математическое моделирование технологических процессов. Практикум. –М: МИСиС, 2001. –48с. |
