75 2 1 ,. $ 8. TEHNOLOGIJA INTEGRIRANIH KRUGOVA Monolitni integrirani sklopovi formiraju se planarnim procesom. Uvođenjem tog procesa u poluvodičku tehnologiju silicij postaje osnovnim materijalom u elektronici. Planarni proces koji je danas u uporabi sastoji se iz nekoliko osnovnih postupaka: − epitaksijalni rast, − oksidacija i pasivizacija silicijeve površine, − fotolitografija, − difuzija primjesa i − matalizacija. Tehnologija planarnog procesa izrade bipolarnog tranzistora prikazana je slikom 225. . Slika 225. Planarni proces proizvodnje tranzistora (/ ( Podloga silicija N tipa, koja ujedno služi kao kolektor, osnova je svih daljnjih postupaka. Njena polirana površina najprije se oksidira (a), i time prevuče izolacijskim slojem SiO2, koji ima važnu ulogu kao zaštitni sloj. Fotolitografskim postupkom taj se sloj na određenim mjestima skida (b), pa se kroz tako nastalu strukturu difundiraju primjese kako bi se stvorilo područje P tipa (c). Ponovnim oksidiranjem (d) i fotolitografskim postupkom određenih manjih površina (e) stvara se mjesto za emiter. Drugom difuzijom s primjesama suprotnog tipa u područje dobiveno baznom difuzijom stvara se područje emitera N tipa (f). Poslije ponovnog oksidiranja (g) fotolitografskim postupkom se naprave otvori za priključke (h). Napareni sloj aluminija (i) skida se na svim nepotrebnim mjestima također fotolitografskim postupkom (j), nakon čega se privare priključne žice za emiter i bazu te prilemi kolektor (k) na metalni nosač, koji ujedno služi kao kontakt. Epitaksijalni proces omogućuje rast silicijevih kristala na silicijevoj podlozi, a obavlja se u epitaksijalnom reaktoru. U njemu se silicijeve pločice s čistom i kemijski poliranom površinom zagrijavaju. Tijekom epitaksijalnog rasta plinovi koji sadržavaju silicijeve atome struje preko zagrijanih silicijevih pločica. Kao noseći plin upotrebljava se vodik sa silicij-tetrakloridom SiCl4 ili silanom SiH4, kao izvorom silicijevih atoma te se vodikovom redukcijom razvija reakcija: 71 SiCl4+2H2 1250 °C Si+4HCl ili 1000 °C (/ ( . 75 2 1 ,. $ 2H2+Si. SiH4 Tako se oslobođeni silicijevi atomi postavljaju na površini silicijevih pločica, a priroda epitaksijalnog postupka je takva da se atomi postavljenog silicija nižu u pravilnom rasporedu na kristalnu strukturu pločice, pa se zbog toga debljina pločice povećava. Oksidacija ili pasivizacija površine silicija najčešće se postiže termičkim rastom silicij-dioksida. Pasivizirajući dielektrični sloj na površini pločice ima tri osnovna zadatka: − služi kao difuzijska maska za selektivnu difuziju primjesa u silicij, − štiti PN spojeve na površini silicija od vanjskih utjecaja i − služi kao dielektrik MOS-kondenzatora i tranzistora, te kao izolator preko kojega se nanose metalne veze među pojedinim komponentama monolitnog integriranog sklopa. Oksidni sloj se na silicijevu površinu nanosi termičkom oksidacijom u atmosferi kisika te nastaje kemijska reakcija: Si+O2 SiO2. Prije procesa fotolitografije potrebno je izraditi optičku masku, koja je izrađena u formi fotonegativa. Prvi korak fotolitografskog postupka je prekrivanje površine silicija fotoosjetljivom emulzijom - fotorezistom. Otvor za selektivnu difuziju primjesa dobije se tako što na optičkoj maski postoji područje koje mora biti nepropusno za ultraljubičasto svjetlo (slika 226). Osvjetljavanjem ultraljubičastim svjetlom dolazi do polimerizacije fotorezista u osvjetljenom dijelu. Djelovanjem odgovarajućeg razvijača, nepolarizirani fotorezist se odstrani. Na fotorezist se dakle preslikava negativ optičke maske. Upotrebom odgovarajuće kiseline uklanja se preostali polimerizirani fotorezist. Konačno ostaje silicijeva pločica prekrivena slojem silicij-dioksida s odgovarajućim otvorima za difuziju primjesa. Slika 226. Fotolitografski postupak Kontakti s pojedinim područjima komponenti monolitnih sklopova realiziraju se postupkom metalizacije. U uvjetima visokog vakuuma isparava se metal koji se zatim naparuje na površinu silicijske pločice s difundiranim monolitnim sklopovima. Prilikom naparivanja tanki metalni film tipične debljine od 0,5 do 2 µm nanosi se preko cijele površine pločice, a fotolitografskim postupkom odstranjuje se metalni film s onih dijelova pločice gdje metalizacija nije potrebna. 72 ,. $ Primjer tehnološkog procesa ralizacije N kanalnog MOSFET-a u tehnici silicijeve upravljačke elektrode prikazan je slikom 227. (/ ( . 75 2 1 Slika 227. Tehnologija proizvodnje N kanalnog MOSFET-a Na P podlozi termičkim rastom se formira sloj silicij-dioksida debljine od 1 µm (a). Fotolitografskim postupkom formira se u oksidnom sloju otvor za difuziju područja izvora i izvoda u kojem će biti smješten i kanal i silicijeva upravljačka elektroda (b). Termičkom oksidacijom se unutar otvora stvara novi oksidni sloj debljine od oko 0,1 µm (c). Zatim se vrši rast polikristalnog silicija debljine od 0,5 do 0,8 µm iznad cijeloga oksidnog sloja (d). Rast polikristalnog silicija na oksidnom sloju provodi se u istim uvjetima kao i rast monokristalnog silicija na monokristalnoj podlozi. Obavlja se nova oksidacija preko cijele površine pločice, a zatim se definiraju otvori za difuziju izvora i izvoda (e).Pri tome, iznad područja kanala, na tankom oksidnom sloju ostaje sloj polikristalnog silicija koji služi kao upravljačka elektroda umjesto aluminija. Područja izvora i izvoda dobivaju se difuzijom fosfora, a istom difuzijom fosfor sa unosi i u sloj polikristalnog silicija (f). Nakon difuzije fosfora cijela pločica se prekrije novim oksidnim slojem (g), pa je polikristalna silicijeva upravljačka elektroda sa svih strana okružena silicij-dioksidom. Uobičajenim fotolitografskim postupkom formiraju se otvori u oksidnom sloju za aluminijske kontakte izvora i izvoda (h). Primjer izrade otpornika u tehnici integriranog monolitnog sklopa prikazan je slikom 228. Slika 228. Difundirani otpornik u baznoj P-difuziji 73 ,. $ Otpornici za monolitne integrirane sklopove izvode se istodobno s tranzistorom, istim tehnološkim postupcima, pa su im i električna svojstva jako ovisna o osobinama tranzistora. Kondenzatori se zbog malih mogućih kapaciteta rijetko susreću u monolitnim integriranim krugovima, a kao PN kondenzatori mogu poslužiti reverzno polarizirani spojevi emiter-baza, baza-kolektor i kolektor podloga, a jedan takav kondenzator prikazan je slikom 229. (/ ( . 75 2 1 Slika 229. Kondenzator kao reverzno polarizirani spoj baza-kolektor 74 9. TIRISTOR Silicijski upravljani ispravljač je poluvodički element široko primijenjen u sustavima za kontrolu električne snage. On ustvari predstavlja diodu, koja kada je propusno polarizirana, ima mogućnost kontrole prelaska iz inverznog u vodljivo stanje. Tiristor se sastoji iz četiri sloja poluvodičkog materijala (Si) koji je naizmjenično dopiran primjesama P i N tipa, kao što je to prikazano slikom 230. A A J1 N1 J2 P2 N1 N1 P2 P2 G ,. T2 N2 N2 K K K 1 K G G J3 A T1 $ P1 P1 G A 2 Slika 230. Silicijski upravljani ispravljač (/ ( . 75 Tiristor ima tri PN spoja J1, J2, J3, uz pozitivne napone na anodi spojevi J1 i J3 propusno su polarizirani, a spoj J2 nepropusno polariziran. Na njemu leži gotovo sav izvana priključen napon, i kada krugom upravljačke elektrode protekne odgovarajući strujni impuls on postaje propusan, te se uspostavlja struja koja je ograničena otporom vanjskog kruga. Samim tim i napon između anode i katode padne na mali iznos. Način rada tiristora može se objasniti i prikazivanjem četveroslojne strukture pomoću dva tranzistora, od kojih je jedan PNP, a drugi NPN (slika 230). Kada tiristor ne vodi oba tranzistora su u svom aktivnom području, a poveća li se bazna struja tranzistora T2 povećati će se i njegova kolektorska struja, što znači i bazna struja tranzistora T1, te se stoga povećava i njegova kolektorska struja što će opet dovesti do povećanja bazne struje tranzistora T2. Proces može postati kumulativan što dovodi do naglog povećanja struje kroz tiristor. Karakterističan je napon paljenja UT pri kome struja naglo poraste s naponom, a napon na diodi naglo pada tj.tiristor prelazi u vodljivo stanje. Karakteristika tiristora prikazana je slikom 231. IA IG3>IG2>0 IG3 IG2 IG=0 IG<0 UT UA Slika 231. Strujno-naponska karakteristika tiristora Ukupna struja preko spoja J2 jednaka je zbroju struje u tranzistorskim područjima i odvodne struje odnosno: 75 IJ2=I.α1+I.α2+ICB0 Kako struja IJ2 mora biti jednaka ukupnoj struji I dobivamo: I=I.α1+I.α2+ICB0 Sa slike 231 vidljivo je da probojni napon opada s povećanjem struje upravljačke elektrode, a za vrlo velike struje element se ponaša kao jednostavni PN spoj polariziran u propusnom smjeru. R1 I uu=UMsinωt A K uu 75 2 I 1 ,. R2 uG $ G ωt . uG ωt Slika 232. Silicijski upravljani ispravljač za poluvalno ispravljanje (/ ( Na slici 232 prikazan je strujni krug u kome je moguće upravljanje strujom kroz otpor R1 pomoću okidnih impulsa. Tiristor prelazi u stanje vođenja kratkim impulsom na upravljačkoj elektrodi koji se može dovesti samo u toku trajanja pozitivne poluperiode ulaznog napona uu. Struja kroz otpor R1 teče samo u toku pozitivne poluperiode, ali od trenutka kada je doveden impuls na upravljačku elektrodu. Kako je efektivna vrijednost struje površina ispod krivulje, tiristorom se može kontinuirano upravljati snagom na potrošaču. 76
© Copyright 2024 Paperzz
