Технологии изготовления транзисторов

Содержание

 

1 Введение

 

В начале 1948 г. американские физики У. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттейн предложили, а затем получили прибор, способный  усиливать электрические сигналы. Они назвали это устройство транзистором (от английских слов ”transfer” – преобразователь и “resistor” – сопротивление).

Транзистор – это электронный  прибор с двумя p-n переходами из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

В настоящее время широкое распространение  получили два вида транзисторов: диффузионные и дрейфовые транзисторы. Это  разделение произведено по механизму переноса носителей в базе. В данном курсовом проекте рассматривается диффузионный транзистор.

Диффузионные транзисторы широкое  применение получили в аналоговой технике. Другой важнейшей отраслью электроники  является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, диффузионные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

Первые диффузионные транзисторы  были плоскостными. Для изготовления плоскостных транзисторов в 1950 г. существенно  усовершенствовались методы выращивания монокристаллов германия и кремния. Всё это позволило в 1952 г. создать первые образцы плоскостных германиевых транзисторов. В 1952 г. были созданы сплавные транзисторы, получившие в дальнейшем широкое распространение. В настоящее время получение p-n переходов сплавным методом все меньше и меньше является актуальным.

 

 

 

 

2 Полупроводниковые  материалы

 

К полупроводниковым материалам, применяемым  для изготовления транзисторов, предъявляются  следующие требования:

• Большая ширина запрещённой зоны. При этом в диапазоне рабочих температур собственная проводимость кристалла незначительна, обратные токи переходов малы.
• Малая энергия ионизации примесей. В этом случае все примесные атомы ионизируются при низких температурах, проводимость материала в рабочем диапазоне температур постоянна и определяется только концентрацией примесей.
• Большая подвижность носителей. При этом увеличивается скорость переноса носителей в базовой области и улучшаются частотные свойства транзистора.
• Относительная простота методов очистки от примесей и легирования, т.е. добавления  примесей для получения нужного удельного сопротивления и типа проводимости.
• Большое время жизни неравновесных носителей, т.е. малая скорость поверхностной и объёмной рекомбинаций, что необходимо для увеличению коэффициента усиления.
• Возможность очистки поверхности полупроводника травлением для уменьшения поверхностной рекомбинации, предотвращения поверхностных утечек p-n переходов и поверхностного пробоя.

Всем этим требованиям в достаточной степени удовлетворяют только два элементарных полупроводника, широко применяемых для изготовления транзисторов – германий и кремний.

Германий по внешнему виду похож на металл. Он не встречается в природе в свободном состоянии. Это редкий элемент. Его получают из побочных продуктов, образующихся при выплавлении цинка, или золы каменного угля, которая содержит до 1% германия. Исходные продукты для получения германия сначала подвергаются химической обработке. При этом получают порошкообразный германий, после расплавления и медленного затвердевания которого образуются слитки поликристаллического германия. Эти слитки подвергают очистки от примесей металлургическими методами (физические методы очистки) и выращивают монокристаллы германия нужного типа проводимости и удельного сопротивления.

Германий является наиболее подходящим по технологическим свойствам материалом для транзисторов, так как обладает хорошими электрическими характеристиками, легка сплавляется и подвергается химической обработки.

Кремний является вторым после кислорода элементом по распространению в природе. Изготавливается из кварцевого песка. Химическими методами получают поликристалличес-

кий кремний, который затем подвергают металлургической очистки. Очистка кремния очень сложна из-за высокой температуры плавления (1450 ˚С) и высокой химической активности этого элемента при температуре плавления. Требования к степени очистки кремния являются более высокими, так как удельное сопротивление чистого кремния выше, чем у германия, а концентрация посторонних примесей должна быть меньше концентрации носителей чистого полупроводника.

Последние годы успешно разрабатываются  и внедряются ИМС на основе арсенида галлия. Данный полупроводниковый материал способен обеспечивать работу ИМС при более высоких температурах, чем кремний, а также позволяет изготовлять элементы ИМС с высоким быстродействием, малыми шумами и другими полезными свойствами.

Германий по сравнению с кремнием имеет меньшую ширину запрещённой  зоны и более высокую подвижность  носителей. Поэтому германиевые транзисторы обладают лучшими частотными свойствами, но меньшими температурными пределами (80-100˚С). кроме того, германий легче обрабатывается и легче очищается от примесей.

3 Технологии  изготовления транзисторов

 

В настоящее время в полупроводниковой электронике применяются плоскостные, точечные и поверхностно-барьерные переходы.

Плоскостной переход образуется в  объёме кристалла на границе полупроводников  с разной электропроводностью. Наиболее широко применяется плоскостной  электронно-дырочный переход, который образуется между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет проводимость p-типа, а друга n-типа. Встречаются электронно-электронный переход (n⁺-n переход) и дырочно-дырочный (p⁺-p переход).

Точечный переход образуется между  полупроводниковым кристаллом и сформированным или прижимным контактом металлической иглы. Первые транзисторы представляли собой приборы с точечными переходами. В настоящее время такие приборы применяются только в приборах сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, где для уменьшения ёмкости перехода стремятся сократить его площадь. Наиболее существенными недостатками точечных переходов являются их ненадёжность (из-за низкой механической прочности) и плохая воспроизводимость параметров.

Поверхностно-барьерный переход возникает между полупроводником и инверсным слоем, образуемым на поверхности кристалла соответствующей технологической обработкой.

Существует несколько методов  изготовления переходов

3.1 Выращенные переходы

 

Выращенные переходы получаются при  выращивании монокристалла из расплава путём последующего добавления примесей элементов разных групп. Таким способом были получены в 1951 г. первые плоскостные транзисторы. В настоящее время выращенные переходы почти не используются.

3.2 Сплавные переходы

 

Сплавные переходы (рисунок 3.1) получаются путём вплавления примеси в монокристалл полупроводника. Так, например, для изготовления сплавного p-n перехода из германия берётся пластина монокристаллического германия n-типа, на поверхности которой помещается небольшая таблетка элемента III группы (например, индия — Iп), создающего примеси p-типа. Затем пластина нагревается до температуры, лежащей ниже точки плавления германия, но выше точки плавления примеси. В результате наплавления примеси образуется р-слой, который вместе с германием n-типа приводит к формированию p-n перехода.

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 – Сплавной p-n переход

 

Процесс сплавления проходит в две стадии. Во время первой стадии часть полупроводникового монокристалла растворяется в металлическом сплаве, благодаря чему происходит замещение атомов полупроводника атомами примеси. На второй стадии начинается рекристаллизация растворенных в расплаве атомов, после завершения образуется монокристаллическая область с электронно-дырочным переходом.

 

3.3 Электрохимический способ

 

Электрохимический способ изготовления р-п переходов был разработан в связи с необходимостью уменьшения размеров сплавных переходов. Суть этого способа заключается в следующем. На поверхности полупроводниковой пластины электрохимическим путем вытравливают углубление (лунку) небольших размеров, определяющих площадь перехода. Затем электролитическим осаждением соответствующего металла в углублении создают эмиттер или коллектор. Исходная же пластина образует базовую область. Таким путем изготовляют поверхностно-барьерный переход, представляющий собой контакт металл — полупроводник.

Разновидностью этой технологии является изготовление микросплавных p-n переходов, у которых примеси n- или р-типа осаждают в вытравленных углублениях и затем вплавляют в исходную полупроводниковую пластинку. По своей конструкции такой переход аналогичен сплавному, отличаясь от последнего меньшими размерами, что способствует уменьшению емкости перехода и соответственно улучшению его высокочастотных свойств.

3.4 Диффузионный метод

 

Диффузионный  метод является наиболее эффективным и современным способом изготовления р-n переходов. В этом случае р-n переход получают путем диффузии примесей в исходную полупроводниковую пластину. Диффузия примесей может происходить как из внутренних областей кристалла, так и через поверхность из внешних источников. В первом случае диффузия примесей происходит из жидкой фазы (или, как иначе говорят, диффузия из расплава), а во втором — из газовой фазы.

В настоящее время  широкое распространение получили приборы, изготовленные диффузией из газовой фазы через окисную маску, под которой образуется переход. При этом полупроводниковые пластинки с защитным окисным слоем подвергаются фотолитографической обработке в следующей последовательности: наносится слой фоторезиста, защищающего окисел от травления; производятся его сушка, а затем засвечивание через фотошаблон с рисунком заданной конфигурации и проявление для удаления незасвеченных участков окисного слоя, через которые путем вытравливания вскрываются «окна». После фотолитографии через «окна» в слое окисла» производят диффузию примесей и получают р-n переход. Таким путем изготавливают одновременно на одной пластине несколько десятков и даже сотни р-n переходов.

3.5 Эпитаксиальная технология

 

Эпитаксиальная технология позволяет наращивать монокристаллическую полупроводниковую пленку на подложку из полупроводника любой электропроводности. Наращивая таким способом пленку, например, n-типа на подложку с электропроводностью р-типа, можно получить р-n переход. При этом эпитаксиальная пленка по своему составу может отличаться от материала подложки.

В настоящее время эпитаксиальный метод наиболее часто применяется  для получения р⁺-n или n⁺-n слоев. Например, при изготовлении транзисторов для уменьшения сопротивления тела коллектора тонкую высокоомную пленку осаждают на низкоомную подложку того же типа проводимости. При этом низкоомная подложка служит телом коллектора, а в области, образуемой эпитаксиальной пленкой, располагается коллекторный переход. Эпитаксиальный метод носит значительно более общий характер; этим способом можно осаждать полупроводниковые пленки с электронной или дырочной электропроводностью, создавая тем самым эпитаксиальные переходы.

3.6 Ионное легирование

 

Ионное легирование, представляющее собой один из современных методов имплантации примесей в полупроводник, также позволяет получить р-n переходы. При этом ионы соответствующей примеси ускоряются в ускорителе до энергии 40—800 кэВ, затем с помощью магнитной сепарации выделяют из пучка ионов нужную примесь и бомбардируют этими ионами мишень, являющуюся полупроводниковой пластиной. Глубина проникновения ионов в полупроводник определяется их энергией, а степень легирования – продолжительностью бомбардировки. Для защиты тех участков, которые не должны подвергаться легированию, используют маски. Дефекты, образуемые при бомбардировке, частично устраняются с помощью отжига.

4 Анализ исходных данных, выбор материала

 

По техническому заданию (ТЗ) требуется рассчитать диффузионный транзистор с резким   p-n переходом. На основании ГОСТ 15133-77 (СТ СЭВ 2767-80), диффузионный транзистор – биполярный транзистор, в котором перенос неосновных носителей заряда через базовую область осуществляется в основном посредством диффузии. Так как по ТЗ эмиттерный и коллекторный p-n переход должен быть резким, то будет произведен расчет БТ с эмиттерным и коллекторным p-n переходом, полученные методом сплавления. При изготовлении сплавных транзисторов наиболее распространение получил германий [6]. Материал для навески был выбран индий (In). Индий получил наибольшее распространение для вплавления в германий, так как имеет низкую температуру плавления (156⁰С) и удовлетворительную растворимость. Работа при низких температурах исключает возможность конверсии германия. Но индий обладает недостатком – малым коэффициентом разделения. Поэтому если необходимо получения высокого коэффициента инжекции, то индий неприемлем.

Для выбора марки германия нужно  рассчитать удельное сопротивление. Расчет приведен в разделе 5. По результатам расчета выбран германий электронный легированный фосфором, удельное сопротивление , ГЭФ(0,32/0.78∙10^-3см).

5 Расчет  параметров БТ

 

Для расчета геометрического размера  рассчитаем площадь эмиттерного p – n перехода:

 [5]

где: j_доп – допустимая плотность тока, для германия j_доп=10²А/см².

При изготовлении сплавных транзисторов S_Э = 0,7S_К [1], значит:

S_К = 0,0075/0,7=0,01мм²

Диаметр p – n переходов находим из формулы:

,

где: S – площадь p-n перехода

       d - диаметр p – n перехода