1   2   3   4
Ім'я файлу: СРС1.docx
Розширення: docx
Розмір: 505кб.
Дата: 14.09.2020

Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

Факультет інфокомунікацій, радіоелектроніки та наносистем

Кафедра електроніки та наносистем

Самостійна робота студента

Вінниця, 2020

Тема №1

Термодинамічні основи технологічних процесів. Типи термодинамічних процесів.

Термодинамі́чний проце́с — це сукупність послідовних станів, через які проходить термодинамічна система при взаємодії її з навколишнім середовищем. При цьому усі або частина параметрів зазнають змін. Ці зміни параметрів відбуваються таким чином, щоб система прямувала до стану рівноваги.

У всякому термодинамічному процесі змінюються параметри, що визначають стан тіла (системи тіл). Наприклад, при збільшенні тиску на газ, відбувається зменшення його об'єму; при збільшенні температури стрижня, він видовжується тощо.

Рівняння стану системи

Основні термодинамічні параметри стану p, v і T однорідного тіла залежать один від одного і взаємно пов'язані математичним рівнянням виду: , яке у термодинаміці називають рівнянням стану. Якщо відоме рівняння стану, то для визначення стану найпростіших систем — однорідних і сталих у часі, масі і складу — достатньо знати дві незалежні змінні з трьох:



Якщо зовнішні умови, у яких перебуває термодинамічна система змінюються, то змінюється і стан системи.

Під рівноважним станом тіла мають на увазі такий, при якому у всіх точках його об'єму тиск, температура, питомий об'єм і всі інші фізичні властивості є однаковими.

Види термодинамічних процесів

Процес зміни станів системи може бути рівноважним і нерівноважним, круговим оборотним і круговим необоротним.

  • рівноважний (квазістатичний) процес — процес, при якому тіло (система тіл) проходить неперервний ряд рівноважних станів. При рівноважному процесі стани тіла повинні змінюватися нескінченно повільно. Це значить, що тіло проходить через ряд нескінченно близьких станів рівноваги із зовнішнім середовищем;

  • нерівноважний термодинамічний процес — термодинамічний процес, за якого система знаходиться не в рівновазі з оточенням;

  • круговий процес або термодинамічний цикл — процес, при якому фізична система (наприклад, пара), зазнавши ряд змін, повертається у вихідний стан.

  • оборотний/необоротний круговий процес — процес, за якого система може/не може повернутись у початковий стан без того, аби у навколишньому середовищі відбулись які-небудь зміни. Такі кругові процеси, при яких система повертається у початковий стан, а в навколишньому середовищі відбуваються необоротні зміни є необоротним.

Термодинаміка у першу чергу розглядає рівноважні стани і рівноважні процеси зміни стану термодинамічної системи, котрі можуть бути описані кількісно за допомогою рівнянь стану. Найпростішими рівняннями стану є рівняння Менделєєва-Клапейрона, Ван дер Ваальса тощо.

Рівноважний процес можливо здійснити лише при нескінченно повільній зміні зовнішніх умов. Отже, реальні процеси, що зазвичай є нерівноважними, можуть лише з певними допущеннями наближатись до рівноважних, ніколи з ними не збігаючись. Нерівноважність реальних процесів обумовлюється у першу чергу тим, що під впливом зовнішніх умов їх перебіг відбувається з певними швидкостями і у робочому тілі не встигає наступити рівноважний стан.

Графічне представлення

З математичної точки зору рівняння стану у тривимірній системі координат p, V, T описує деяку поверхню, що носить назву «термодинамічна поверхня». Будь-який довільно обраний рівноважний стан зображається на термодинамічній поверхні точкою, а сукупність цих точок при неперервній зміні стану – кривою, що є зображенням рівноважного процесу.

Для спрощення сприйняття зображення процесів подають не самими кривими а їх проекціями на площини у прямокутній системі координат.

Якщо термодинамічну поверхню розрізати площинами, паралельними до координатних площин та на них можна отримати наступні криві (діаграми) ізопроцесів:

  • переріз площиною V = const дає лінію (ізохору), що характеризує залежність p-T за сталого об'єму;

  • переріз площиною p = const дає лінію (ізобару), що характеризує залежність V-T за сталого тиску;

  • переріз площиною T = const дає лінію (ізотерму), що характеризує залежність p-V за сталої температури.

При вивченні термодинамічних процесів великий інтерес викликають так звані замкнуті (колові) процеси, у яких система після проходження низки послідовних станів, повертається до початкового. Такий процес називають термодинамічним циклом

Приклади рівноважних термодинамічних процесів

  • Ізотермічний процес, при якому температура системи не змінюється (T = const).

  • Ізохоричний процес, який відбувається при сталому об'ємі (V = const).

  • Ізобаричний процес, який відбувається при сталому тиску в системі (p = const).

  • Адіабатичний процес, який відбувається без теплообміну із зовнішнім середовищем.

  • Ізоентропійний процес, який відбувається за незмінної ентропії.

Iзотермічний процес відбувається достатньо повільно для того, щоб температура підтримувалася сталою завдяки теплообміну із середовищем. При ізотермічному стисненні тіло віддає тепло в середовище, при ізотермічному розширенні — вбирає тепло із середовища. Прикладами ізотермічного процесу є кипіння рідини або плавлення твердого тіла при сталому тиску.
Тема №2

Монокристалічний кремній. Епітаксіальні структури з прихованими шарами.

На противагу германію, кремній є одним із найпоширеніших елементів у земній корі, де його міститься 29,5% (по масі). По поширеності кремній займає серед елементів друге місце після кисню. Численні сполуки кремнію входять до більшості гірських порід і мінералів. Пісок і глина, що утворюють мінеральну частину ґрунту, також являють собою сполуки кремнію. Найбільш розповсюдженою сполукою цього елемента є двооксид кремнію SiO2. Вільний двооксид кремнію зустрічається в основному у виді мінералу кварцу. У ряді родовищ чистота кварцового піску досягає 99,9%. Кремній у вільному стані в природі не зустрічається. В елементарному виді він уперше був отриманий у 1811 р., тобто набагато раніше германію.

Вихідною сировиною при одержанні кремнію є природний двооксид (кремнезем), із якого кремній відновлюють вуглецевовмісним матеріалом в електричних печах. Цей технологічний етап реалізується за допомогою дугової печі (рис. 2.9). Піч загружається кварцитом SiO2 і вуглецем у вигляді вугілля і коксу. Температура реакції Т = 1800ºС. В печі відбувається ряд реакцій, результуюча яких може бути представлена у вигляді:

SiCтв + SiO2тв → Siтв + SiOгаз + COгаз



Рисунок 2.1 - Схема процесу одержання технічного кремнію в електропечі

Технічний кремній являє собою дрібнокристалічний матеріал, що містить близько 1% домішок. Використовувати такий кремній для отримання яких-небудь напівпровідникових приладів не можна. Очищення від домішок кремнію, що знаходиться в твердій фазі, є дуже складним завданням. Тому технологія одержання кремнію напівпровідникової чистоти проходить у кілька етапів і містить у собі наступні операції:

• перетворення технічного кремнію в летку сполуку, яка після очищення може бути легко відновлена;

• очищення сполуки

• фізичними і хімічними методами;

• відновлення сполуки з виділенням чистого кремнію;

• остаточне кристалізаційне очищення й вирощування монокристалів.

Як газоподібні сполуки кремнію використовуються SiCl4, SiHCl3, SiH4, SiI4 та інші. У напівпровідниковому виробництві найбільше поширення одержав метод водневого відновлення трихлорсилану SiHCl3. Останній одержують обробкою здрібненого технічного кремнію сухим хлористим воднем при температурі 300–400 °С:

Siтв + 3HCl →SiHCl3газ + H2газ



Рисунок 2.2 - Гідрометалургічна установка для одержання трихлорсилану

Трихлорсилан являє собою рідину з температурою кипіння 32°С. Тому він легко очищається методами екстракції, адсорбції й ректифікації. Процес водневого відновлення кремнію здійснюється за схемою, зображеною на рис. 2.11.Пари очищеного хлорсилану потоком водню доставляють від випарника в камеру відновлення, у якій на спеціальних струмопроводах розташовані тонкі стержнізапали з чистого кремнію. Ці стержні нагріваються при пропусканні по них електричного струму до температури 1200–1300°С. Осадження кремнію, що виділяється, на запалах дозволяє одержувати чисті полікристалічні стержні необхідного діаметра.

2SiHCl3газ + 2H2газ → 2Siтв + 6HClгаз



Рисунок 2.3 - Схема процесу одержання полікристалічного кремнію водневим відновленням хлорсилану: 1 – випарник-змішувач; 2 – дозатор; 3 – ємкість з чистим хлорсиланом; 4 – струмопроводи; 5 – кремнієві стержні-запали; 6 – камера відновлення

Епітаксія (від грец. επι (епі) — «на» та ταξισ (таксіс) — «впорядкований») — метод осадження монокристалічної плівки на монокристалічну підкладку, при якому кристалографічна орієнтація шару, який осаджують, повторює кристалографічну орієнтацію підкладки. Осаджена плівка зветься епітаксійною плівкою або епітаксійним шаром.

Епітаксійні плівки можуть бути вирощені з газоподібних або рідких прекурсорів. Оскільки підкладка виконує роль затравочного кристала, осаджена плівка переймає структуру та орієнтацію ґратки, що є ідентичними до ґратки підкладки. Це є відмінністю від методів осадження тонких плівок, в яких осаджуються полікристалічні або аморфні плівки, навіть на монокристалічних підкладках.

Різновиди

Є певні різновиди епітаксії. У випадку осадження плівки на підкладку такого самого складу процес зветься гомоепітаксією. У протилежному випадку він зветься гетероепітаксією.

Гомоепітаксія — різновид епітаксії, в якій бере участь лише один матеріал. В цьому процесі кристалічна плівка вирощується на підкладці чи плівці з того ж самого матеріалу. Така технологія використовується для вирощування плівок, що є чистішими за підкладку та виготовлення шарів з іншими рівнями легування.

Гетероепітаксія — різновид епітаксії, в якій беруть участь відмінні одне від одного матеріали. В процесі гетероепітаксії кристалічна плівка вирощується на кристалічній підкладці чи плівці з іншого матеріалу. Ця технологія часто використовується для вирощування кристалічних плівок з матеріалів, для яких іншим шляхом неможливо отримати монокристали, та для виготовлення інтегрованих кристалічних шарів різних матеріалів.

Гетеротопотаксія — процес подібний до гетероепітаксії, окрім того факту що ріст тонкої плівки не обмежується двовимірним ростом. Тут підкладка схожа до тонкоплівкового матеріалу лише за структурою.

Застосування

Епітаксія використовується в нанотехнологіях та виготовленні напівпровідників. Фактично епітаксія є єдиним доступним методом вирощування високоякісних кристалів для більшості напівпровідникових матеріалів, включаючи такі технологічно важливі матеріали, як кремній-германій, нітрид галію, арсенід галію, фосфід індію та графен.

Епітаксія також використовується для вирощування шарів попередньо легованого кремнію на боках кремнієвих пластин перед їх використанням у напівпровідникових приладах. Це є типовим для напівпровідникових приладів, як ті, що використовуються в електрокардіостимуляторах, контролерах торговельних автоматів, автомобільній електроніці, та ін.
Методи

Епітаксія можлива із будь-якої фази: парової (парофазна епітаксія, ПФЕ), рідкої (рідкофазна епітаксія, РФЕ), твердої (твердофазна епітаксія, ТФЕ). Найбільш розповсюдженими є ПФЕ та РФЕ.

Епітаксійний кремній зазвичай вирощують за допомогою парофазної епітаксії, різновидом хімічного осадження з парової фази. Також використовують молекулярно-променеву та рідкофазну епітаксію (МПЕ та РФЕ), зазвичай для складних напівпровідників. Твердофазна епітаксія використовується переважно для виправлення пошкоджень кристалів.
Тема №3

Технологія виробництва напівпровідникових мікросхем на біполярних транзисторах з комбінованою ізоляцією елементів.

Напівпровідникові ІМС– це мікросхеми, у яких всі елементи виконані всередині (у приповерхньому шарі) і на поверхні напівпровідникової підложки, яка називається кристалом (являє собою пластинку кремнію товщиною 200-300 мкм, площа кристала зазвичай від 1,5х1,5 до 6x6 мм).

Переваги напівпровідникових ІМС: мають більш високе число елементів в одиниці об'єму та більшу надійність (найменшу інтенсивність відмов) в порівнянні з плівковими та гібридними ІМС.

Недоліки напівпровідникових ІМС: гірша якість пасивних елементів (резистори та конденсатори) і неможливість створення в напівпровіднику котушок індуктивності.

Методи ізоляції елементів ІМС. Оскільки всі елементи напівпровідникових ІМС робляться в єдиному напівпровідниковому кристалі, то важливо забезпечити ізоляцію елементів від кристала та один від одного. Для цього використовують декілька способів ізоляції:

  1. Ізоляція р-п-переходом.

У цьому випадку в кристалі, наприклад із кремнію типу р, методом дифузії робляться області типу п, які називаються «кишенями». В «кишенях» потім формуються необхідні пасивні або активні елементи, а р-п-перехід між «кишенею» і кристалом у працюючої ІМС постійно перебуває під зворотною напругою. Для цього на кристал постійно подається негативний потенціал у декілька вольт. Кремнієвий р-п-перехід при зворотній напрузі має дуже високий опір (декілька МОм), що і виконує роль ізоляції.

  1. ізоляція діелектричним шаром


Рисунок 3.1 – ізоляція діелектричним шаром

Тут також є «кишені» для наступного формування в них потрібних елементів, але між «кишенею» і кремнієвим кристалом є тонкий діелектричний шар діоксида кремнію SiО2. Створення цього шару значно ускладнює виготовлення мікросхеми і є досить дорогим, що обмежує частоту застосування такої ізоляції, незважаючи на те, що вона значно краще, ніж ізоляція р-п-переходом.

  1. Ізоляція типу кремній на сапфірі

На сапфіровій підложці, яка є гарним діелектриком, нарощується шар кремнію. Останній протравлюєтся до сапфіра так, що утворюються кремнієві «острівці». У цих «острівцях» методом дифузії формуються необхідні елементи, які виявляються ізольованими друг від друга знизу сапфіром, а з боків – повітрям. Недоліком цього методу є те, що мікросхема має рельєфну поверхню, а це ускладнює виконання металевих з'єднань між елементами.

  1. Комбінована ізоляція, виконана по ізопланарній технології.

У цьому випадку бічні сторони «кишень» ізольовані діелектричним шаром діоксида кремнію, а нижня сторона ізольована від підложки р-п-переходом, який знаходиться під зворотною напругою.

Біполярні транзистори виконують по планарній (р-п-переходи утворюють дифузією домішок крізь отвір у захисному шарі, нанесеному на поверхню напівпровідника. При цьому виводи від всіх областей розташовуються в одній площині. Назва «планарний» походить від англійського слова planar - плоский. Для виготовлення цих транзисторів особливо зручно застосовувати кремній, тому що оксидна плівка на його поверхні може служити гарним захисним шаром. Вихідна пластинка кремнію із плівкою оксиду утворить колекторну область. В тому місці, де повинна бути базова область, оксидна плівка знімається травленням і створюється методом дифузії базовий шар. Потім всю поверхню знову окисляють і повторюють процес травлення та дифузії для створення емітерної області, що розташовується всередині базової частини. Після цього через маску наносяться виводи у вигляді металевих шарів. Планарні транзистори мають гарні якості і одержали велике поширення. Вони зручні у виробництві і можуть бути виготовлені на різні потужності з високими граничними частотами) або планарно-епітаксиальній технології (планарно-епітаксиалъні транзистори є подальшим розвитком планарных транзисторів. У звичайних планарных транзисторів великий опір колекторної області, що невигідно. Цей недолік усувається, коли в епітаксиальних транзисторах між базою і низькоомним колектором вводиться шар з більш високим опором. При виготовленні таких транзисторів колекторна пластинка напівпровідника, наприклад, з електронною електропровідністю має малий питомий опір. На неї нарощується плівка такого ж напівпровідника, але з високим опором, а потім планарним методом створюються області бази і емітера.

Процес одержання на напівпровідниковій пластині шару, що зберігає структуру пластини, але має іншу питому провідність, називають епітаксиальним нарощуванням. Отримана структура, яку позначають п+– п, входить до складу колектора. Знак «+» вказує на область із більш високою концентрацією домішки, тобто з більш високою питомою провідністю).
Методом дифузії в кристалі створюються області колектора, бази та емітера.

Структура транзистора заглиблюється в кристал не більше ніж на 15 мкм, а лінійні розміри транзистора на поверхні не перевищують декількох десятків мкм.

Як правило, виготовляють транзистори типу п-р-п. Внутрішній (прихований) шар з підвищеною концентрацією домішок п+у колекторі служить для зменшення опору і, відповідно, втрат потужності в області колектора. Але у колекторного перехода область колектора повинна мати знижену концентрацію домішок, щоб перехід мав більшу товщину. Тоді ємність у нього буде менше, а напруга пробою вище. Область емітера також часто роблять типу п+для зменшення опору та збільшення інжекції. Зверху на транзисторі створюється захисний шар оксиду SiО2. Від областей колектора і бази роблять по два виводи, для того щоб можна було з'єднати даний транзистор із сусідніми елементами без перетинів сполучних ліній.

Такі перетини досить небажані, тому що вони значно ускладнюють виробництво. Дійсно, у місці перетину необхідно на нижню сполучну лінію нанести діелектричну плівку, а поверх неї нанести верхню сполучну лінію, тобто треба зробити дві зайві технологічні операції. Крім того, місце перетину завжди становить небезпеку відносно пробою від випадкових перенапруг.

Типові параметри біполярних транзисторів напівпровідникових ІМСтакі: коефіцієнт підсилення струму бази 200, гранична частота до 500 МГц, ємність колектора до 0,5 пФ, пробивна напруга для колекторного переходу до 50 В, для емітерного до 8 В. Питомий опір п- і р-шарів становить кілька сотень, а п+-шарів – не більше 20 Ом/.

Необхідно звернути увагу на те, що в напівпровідникових ІМС завжди утворюються деякі паразитні елементи. Наприклад, з рис. видно, що поряд із транзистором типу п-р-п, створеним у кристалі типу р, існує паразитний транзистор р-п-р, що утворюється кристалом, областю колектора і областю бази транзистора. А транзистор п-р-п разом із кристалом утворить паразитний тиристор п-р-п-р. Для врахування паразитних елементів будують еквівалентну схему транзистора.

  1   2   3   4

скачати

© Усі права захищені
написати до нас