Контрольная работа по "Электронике"

Задача №1

 

В германиевом р-n-переходе удельная проводимость р-области σ_р=10⁴ См/м и удельная проводимость n-области σ_n=10² См/м. Подвижности электронов μ_n и дырок m_p в германии соответственно равны 20 и 10^-8 /(В×с). Концентрация собственных носителей в германии при Т=210 К составляет n_i=1 м^-3. Вычислить контактную разность потенциалов (высоту потенциального барьера) при Т=210 К.

 

Решение:

 

• Для материала р-типа

 

σ_p=qρ_pm_р=1,6∙10^-19∙0,012∙10^-8=0,0192∙10^-27

 

• Отсюда концентрация дырок в p-области

 

р_р=σ_p/(qm_р)=0,0192∙10^-27/(1,6×10^-19∙10^-8)=0,012 м^-3.

 

• Для материала n-типа

 

σ_n=qρ_nm_n=1,6∙10^-19∙44,1∙20=1411,2∙10^-19

 

• Отсюда концентрация дырок в n-области

 

n_n=σ_n/(qm_n)= 1411,2∙10^-19/(1,6×10^-19∙20)=44,1 м^-3.

 

• Концентрация дырок в n-области

 

p_n=п_i²/п_п=1/44,1=0,0227 м^-3.

 

• Тогда контактная разность потенциалов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача №2

 

Используя данные и результаты расчетов задачи из примера 1, найти плотность  обратного тока насыщения, а также  отношение дырочной составляющей обратного  тока насыщения к электронной, если диффузионные длины для электронов и дырок                        L_n = L_p = 1×10^-3м.

 

Решение

 

• Плотность обратного тока насыщения

 

.

 

• Из предыдущей задачи

 

р_п0=0,0227 м^-3;

 

n_p0=n_i²/р_р=1²/0,012 =83,33 м^-3.

 

• Используя соотношение Эйнштейна

 

D_p=(kT/q)m_p=(1,381∙10^-21∙210/1,6∙10^-19)∙10^-8=181,256∙10^-10

 

     D_n=(kT/q)m_n =(1,381∙10^-21∙210/1,6∙10^-19)∙20=36,251

 

• Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача №3

 

Германиевый полупроводниковый диод, имеющий обратный ток насыщения I₀=48,3 мкА, работает при прямом напряжении, равном 0,1 В, и T = 300 К. Определить: а) сопротивление диода постоянному току R₀;                          б) дифференциальное сопротивление r.

 

Решение

 

• Найдем ток диода при прямом напряжении (U=0,1 В) по формуле

 

I=I₀exp(qU/kT-1)=48,3∙10^-6(exp(1,6∙10^-19∙0,1/(1,381∙10^-21∙300)-1)= 0,0019 мА.

 

• Тогда сопротивление диода постоянному току

 

R₀ =U/I=0,1/(0,0019×10^-3)= 53 Ом.

 

• Вычислим дифференциальное сопротивление:

 

 

• откуда

r=1/(18,643×10^-3)=53,64 Ом.

 

• Или приближенно, с учетом того, что I>>I₀,

 

 

• Откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание №1. Механизмы диффузии в полупроводниках.

 

Диффузия — это обусловленный хаотическим тепловым движением перенос атомов, он может стать направленным под действием градиента концентрации или температуры. Диффундировать могут как собственные атомы решетки (самодиффузия или гомодиффузия), так и атомы других химических элементов, растворенных в полупроводнике (примесная или гетеродиффузия), а также точечные дефекты структуры кристалла — междоузельные атомы и вакансии.

Для создания в полупроводнике слоев с различным типом проводимости и p-n-переходов в настоящее время используются три метода введения примеси: термическая диффузия, нейтронно-трансмутационное легирование и ионная имплантация (ионное легирование). С уменьшением размеров элементов ИМС и толщин легируемых слоев второй метод стал преимущественным. Однако и диффузионный процесс не теряет своего значения, тем более, что при отжиге полупроводника после ионного легирования распределение примеси подчиняется общим законам диффузии.

Ток диффузии возникает в результате неравномерного распределения концентрации носителей заряда. Плотность тока диффузии определяется количеством диффундирующих частиц в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению диффузии. Умножая плотность потока на отрицательный заряд электрона или положительный заряд дырки получаем соотношения для диффузионных токов электронов и дырок.

 

Задание №2. Монтаж кристаллов при сборке интегральных микросхем.

 

В процессе изготовления полупроводниковых интегральных микросхем сохраняют как можно дольше единство подложки.Только после того, как выполнены все технологические операции на пластине, ее разделяют на отдельные кристаллы. Последняя операция на пластине до ее разрезки заключается в проверке отдельных ИМ (рнс. 2-71). Для этого осуществляют контрастирование очень тонких зондов с контактными площадками ИМ (приблизительно 50X50 мкм) — 2-72. Если для одной ИМ необходимо выполнить до 40 измерений, то для 500 ИМ, расположенных на одной: пластине,—2-10* измерений. Кроме того, при измерении необходимо осуществлять последовательное перемещение испытательных зондов. Данную работу можно рационально проводить с помощью измерительных автоматов (тестеров). Дефектные интегральные микросхемы маркируются цветной краской ( 2-73) и после разрезки пластины отсортировываются. Посредством металлизации элементы микросхемы, находящиеся на пластине, соединяются между собой.

При этом формируются также контактные площадки для внешних электрических соединений. Межэлементные соединения и контактные площадки, имеющие микронные размеры, должны быть приспособлены к достаточно грубой технологии сборки н монтажа на печатные платы. Это достигается с помощью монтажа кристаллов в корпуса, расстояние, между выводами которого кратно 1,25 нлн 2,5 мм. Корпуса должны одновременно обеспечивать защиту от механических и климатических воздействий и обеспечивать отвод мощности рассеяния от полупроводникового кристалла. 2-3-3-6-1. Разделение пластин на кристаллы. После проверки параметров всех интегральных микросхем, расположенных на пластине, они разделяются на кристаллы. На поверхность кремниевой пластины наносят риски, как при резке стекла, разделяют.

 

Задание №3. Бескорпусная герметизация интегральных микросхем.

 

Технология производства полупроводниковых приборов – это техническая наука, занимающаяся изучением физико-химических основ технологических процессов производства электронных прибор и закономерностей, действующих в процессе изготовления этих изделий. Использование результатов исследований фундаментальных наук и доведение их до инженерного решения применительно к производству изделий электронной техники позволяют разрабатывать новые технологические процессы для серийного и массового изготовления. Развитие прикладных наук в области получения чистых и сверх чистых материалов, нанесения покрытий, соединения различных материалов, электрофизических и электрохимических методов обработки способствовали совершенствованию полупроводниковой и плёночной технологии, особенно при производстве микросхем. Повышение качеств изделий требует высокой технологической точности и дисциплины производства, своевременного анализа и корректировки технологического процесса, построения оптимального технологического процесса.  Повышению качеств и стабильности технологических процессов, обеспечивающих массовое производство изделий с воспроизводимыми параметрами, способствует внедрение автоматизированных систем управления с полным исключением человека-оператора и его субъективного влияния на ход технологического процесса. Создание высокопроизводительных машин и автоматических линий требует знания основ технологии производства, современных методов изготовления деталей и узлов, нанесения покрытий, получение электронно-дырочных переходов, сборки приборов и микросхем и т.п. Производство изделий электроники состоит из нескольких этапов, в результате проведения которых материалы превращаются в готовые изделия.  Производственный процесс в электронном приборостроении состоит из: технологической подготовки производства; получения и хранения материалов и полуфабрикатов; технологического процесса изготовления деталей, сборки изделий; испытания готовых изделий; упаковки и хранения готовых изделий.  Технологический процесс является той частью производственного процесса, во время которого непосредственно происходит последовательное качественное изменение состояние продукта производства.  Проектирование технологического процесса ставит своей целью получение высококачественных изделий электронной техники, отвечающих техническим условиям и чертежам при высокой производительности и экономичности. Для защиты кристаллов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, кристаллов и подложек гибридных микросхем от воздействий внешней среды, стабилизации параметров, повышения срока службы и надёжности осуществляют герметизацию в металлических, металлостеклянных, керамических, металлокерамических и пластмассовых корпусах. В отдельных случаях, особенно при защите активных и пассивных элементов гибридных микросхем, производят бес корпусную герметизацию. При герметизации , а так же эксплуатации в корпуса может попасть некоторое количество влаги, присутствие которой, как уже отмечалось , вызывается со временем изменения их параметров, обусловленные адсорбцией и десорбцией молекул воды поверхностью полупроводника при колебаниях температуры окружающей среду.

Пример 4. В равновесном состоянии высота потенциального барьера сплавного германиевого                   p–n-перехода равна 0,2 В, концентрация  акцепторных примесей N_A в p-области много меньше концентрации доноров в N_D n-области и равна 3×10¹⁴см^-3. Требуется: а) вычислить ширину p–n-перехода W для обратных напряжений U_обр, равных 0,1 и 10 В; б) для прямого напряжения U_пр 0,1 В; в) найти барьерную емкость С, соответствующую обратным напряжениям, равным 0,1 и     10 В, если площадь p–n-перехода S=1 мм².

Решение

 

В выражении для расчета ширины ОПЗ резкого p–n-перехода

 

 

.

 

По условию задачи N_A << N_D, следовательно

 

.

Таким образом

 

 

Выбрав в прил. 3 значение диэлектрической  проницаемости германия e_s , произведем вычисления ширины ОПЗ в заданном p–n-переходе при U_обр =0,1 В

 

,

 

и U_обр = 10 В

 

.

Произведем вычисления ширины ОПЗ  в заданном p–n-переходе при U_пр =0,1 В

 

.

 

Найдем величину барьерной емкости, используя определение электрической  емкости

 

.

 

Таким образом, величина барьерной  емкости в заданном p-n–переходе  при U_обр =0,1 В

 

,

 

а  при U_обр = 10 В

 

.

 

Пример 5. К образцу кремния n-типа сделан золотой контакт, образующий барьер Шоттки. Падение напряжения на контакте "металл-полупроводник" j₀=0,5 В. Работа выхода электронов из металла qj_М равна 4,75 эВ. Чему равна концентрация легирующей примеси в кремнии. Рассчитать величину максимального значения напряженности электрического поля в области пространственного заряда в кремнии.

 

Решение

 

Поскольку

 

qj =qj_М–qj_п=0,5 эВ,

 

получим

 

qj_п=qj_М-qj₀=4,75-0,5=4,25 эВ.

 

Воспользовавшись  рис. 4, можно записать:

 

qj_п-qæ =(E_c-E_fn),

 

откуда следует

 

 

 

 

 

E_c-E_fn=4,25-4=0,2 эВ;

E_fn-E_i=(E_c-E_i)-(E_c-E_fn).

 

Таким образом,

 

E_fn-E_i=0,562-0,2=0,362 эВ.

 

Теперь, используя  уравнение

 

,

 

 

 

 

можно рассчитать концентрацию примеси в полупроводнике:

n=N_D=n_iexp(0,362/0,0258)=1,5∙10¹⁰exp(0,362/0,0258)=

=1,8∙10¹⁶см^-3.

 

Из  уравнения, приведенного в пункте 1.3.1, следует, что напряженность электрического поля в ОПЗ максимальна (E_m) при U = 0. Рассчитаем вначале ширину ОПЗ при U = 0:

 

см,

 

а затем напряженность  электрического поля:

 

 В/см.

 

5. ГИБРИДНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

 

 Гибридными интегральными микросхемами (ГИМС) называют микросхемы, в которых пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивности) выполнены в виде пленок на диэлектрической подложке, а полупроводниковые электронные приборы (диоды, транзисторы, диодные и транзисторные матрицы, ППИМС) – навесные.

Фрагмент  ГИМС приведен на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1

 

Микросхемы  с толщиной пленок менее 1 мкм называют тонкопленочными, а с толщиной более 1 мкм - толстопленочными ГИМС. Напыление тонких пленок осуществляется методами, описанными в разделе 3.6, а получение толстых пленок в [5].

Конфигурации тонко- и толстопленочных  элементов одинаковы, но их конкретные геометрические размеры (при заданных электрических параметрах) могут существенно различаться в связи с использованием совершенно разных материалов. Пленочные элементы нет необходимости изолировать друг от друга, так как все они выполняются на диэлектрической подложке. Поскольку расстояния между элементами сравнительно большие, паразитные емкости практически отсутствуют и их учет на эквивалентных схемах обычно не имеет смысла.

 

5.1 Подложки  ГИМС.

 

Подложки  в ГИМС играют очень важную роль. Во-первых, подложка является конструктивной основой микросхемы: на неё наносят  в виде пленок пассивные элементы схемы и размещают контакты для  подключения микросхемы к аппаратуре. Во- вторых, от материала подложки и  его обработки существенно зависят  параметры осаждаемых пленочных  слоев и надежность всей микросхемы.

Материал  подложки должен обладать:

- высоким удельным  электрическим  сопротивлением,

- быть механически прочным при  небольших толщинах,

- химически инертным к осаждаемым  веществам,