Tehnologia diodelor semiconductoare

Tehnologie electronică - Curs 5

TEHNOLOGIA DIODELOR SEMICONDUCTOARE


Diodele semiconductoare au la bază o joncţiune p-n prevăzută cu contacte metalice ataşate la cele două zone. Acest ansamblu este introdus într-o capsulă din sticlă, material plastic sau metal cu rol de protecţie şi de transfer al căldurii degajate în funcţionare. Clasificarea diodelor semiconductoare se poate face după tehnologia de fabricaţie şi după domeniul de utilizare.


Clasificare a tehnologiilor de realizare a diodelor semiconductoare


Diodele cu contact punctiform

Diodele cu contact punctiform au la bază o joncţiune p-n care se formează între un cristal de Ge de tip n şi un vârf metalic (de exemplu: wolfram sau bronz) aflat în contact cu acest cristal de material semiconductor.


Diodele cu contact punctiform Pentru îmbunătăţirea caracteristicilor

joncţiunii, aceste diode se supun unui proces de formare prin aplicarea unor impulsuri de curent. Impulsurile de curent de amplitudine mare (cu valori mai mari decât curentul nominal) produc încălzirea structurii din jurul vârfului metalic. în această zonă, prin difuzia atomilor din metal în cristalul semiconductor, are loc formarea unei zone de tip p. Vârful metalic corespunde contactului anodului diodei, iar materialul semiconductor (n-Ge) formează catodul.


Diodele cu contact punctiform Această joncţiune se caracterizează

printr-o suprafaţă mult mai mică comparativ cu alte tipuri de joncţiuni. Capacitatea echivalentă a joncţiunii este foarte redusă şi ca urmare aceste diode pot fi folosite la frecvenţe foarte mari (sute MHz) în circuitele de comutaţie sau în cele de detecţie.


Diode aliate Diodele aliate denumite astfel după tehnologia

alierii, procedeu de impurificare controlată folosit în special la dispozitivele semiconductoare cu germaniu, pe baza căreia se realizează joncţiunile acestor diode. Joncţiunile realizate prin aliere sunt abrupte, deoarece concentraţia realizată corespunde "solubilitaţii maxime" a impurităţilor în materialul semiconductor. Zonele neutre ale joncţiunilor au lezistenţă redusă, ataşarea contactelor metalice se face cu uşurinţă. Datorită productivităţii mici şi a performanţelor modeste ale dispozitivelor realizate prin aliere, în prezent acest procedeu are o utilizare limitată.


Diode aliate O modalitate de realizare a unei joncţiuni p-n de

germaniu, prin tehnologia alierii, cu indicarea principalelor operaţii se poate urmări în figura 5. Se folosesc cipuri din germaniu de tip n pe care se poziţionează materialul de impurificare (mici sfere de Indiu) de tip p (fig. 5.a). Poziţionarea materialului de impurificare pe suprafaţa cipului se realizează prin intermediul unei casete din grafit. Prin încălzirea ansamblului în jurul temperaturii de topire a indiului (Tt= 157° C) se produce o dizolvare parţială a indiului în cristalul de germaniu, realizând zona de tip p a joncţiunii (fig. 5.b).


Diode aliate Regiunea din vecinătatea joncţiunii se

conturează (fig. 5.c) pentru a îmbunătăţii caracteristica de blocare, respectiv creşterea tensiunii inverse maxime. Montajul diodei se realizează prin lipirea cristalului semiconductor pe grila (ambaza) capsulei (fig. 5.d). Ataşarea contactului la zona p a joncţiunii se realizează prin topirea superficială a stratului de indiu (157° C) (fig. 5.e).


Diode aliate

Se face în direcţia stratului mai puţin dopat pentru a se produce o lărgire a regiunii de sarcină spaţială. în acest fel intensitatea câmpului electric la suprafaţă, câmp creat de sarcinile electrice din zona joncţiunii, se reduce şi prin acesta creşte tensiunea de străpungere.


Diode aliate


Diode difuzate Diodele difuzate cu siliciu se obţin în

urma unui proces de difuzie de impurităţi acceptoare (tip p) într-un substrat de tip n sau printr-o difuzie de impurităţi donoare (tip n) pe un substrat de tip p. Procesul de fabricaţie are loc în cadrul tehnologiei planare, tehnologie specifică siliciului, în care succesiunea de operaţii se realizează pc aceiaşi faţă a plachetei semiconductoare folosind tehnica fotolitografică.


Diode difuzate Etapele principale care permit fabricarea

unei diode într-un substrat de siliciu de tip n se pot urmări în figura 5.2. în prima fază, după curăţirea substratului placheta de siliciu este supusă unui proces de oxidare umedă, obtinându-se un strat de Si02 pe toată suprafaţa plachetei (fig. 5.2.a).


Diode difuzate

Prin procesul fotolitografic 1 se deschide fereastra de difuzie. Acest proces constă din următoarele faze:

1. expunerea (fig. 5.2.b);2. developarea fotorezistului (fig. 5.2.c);3. corodarea (deschiderea ferestrei de

difuzie) (fig. 5.2.d).


Diode difuzate Prin procesul fotolitografic 2 se urmăreşte

realizarea contactului anodului prin parcurgerea, în principal, a următoarelor faze:

1. reoxidarea (fig. 5.2.f);2. deschiderea ferestrei de metalizare (fig. 5.2.g);3. metalizarea neselectivă cu aluminiu (fig. 5.2.h).4. recoacere forming-gaz;5. depunere de sticlă de bor - acoperire de

pasivizare;6. fotolitografie pentru realizarea deschiderilor

pentru contacte prin stratul de pasivizare.


Diode difuzate Următoarele operaţii ale tehnologiei

diodelor difuzate vizează obţinerea contactelor metalice ale zonei p (anod) şi a zonei n (catod):

1. corodarea stratului de aluminiu (fig. 5.2.i);

2. metalizarea părţii inferioare a substratului (contact eutectic cu aur);

3. ataşarea contactului anodului (fig. 5.2.k).


Diode difuzate


Diode difuzateAnsamblul astfel obţinut se introduce într-o capsula specifică tipului de diodă.Prin tehnologia difuziei se pot realiza joncţiuni cu suprafeţe suficient de mari care să permită utilizarea lor în construcţia diodelor redresoare pentru curenţi mari, dar cu tensiuni inverse de valori relativ reduse. Pentru ca joncţiunea difuzată să funcţioneze la o tensiune inversă Ub (capabilitatea în tensiune), este necesară o anumită dopare a materialului de bază (al substratului) NBi aşa cum se indică în diagrama din figura 5.3


Diode planar epitaxiale

Diode planar epitaxiale constau dintr-o joncţiune realizată între un substrat de siliciu de tip n sau p şi un strat epitaxial depus cu impurificarea diferită faţă de substrat.



Principalele etape ale tehnologiei acestor diode, în cazul a două variante constructive sunt prezentate în figura 5.4 (tehnologia tip mesa) şi în figura 5.5 (epitaxia selectivă). Operaţiile procesului tehnologic din figura 5.4 cuprind, în prima fază, depunerea pe placheta de siliciu a unui strat epitaxial slab dopat (fig. 5.4.a).


Diode planar epitaxiale Etapele tehnologice ale producerii unei diode prin

epitaxie, aşa cum sunt ilustrate în figura 5.4 cuprind:

1. depunerea pe placheta de siliciu a unui strat epitaxial slab dopat (fig. 5.4.a);

2. proces fotolitografic prin care se defineşte geometria structurii (fig. 5.4.b);

3. corodarea chimică a suprafeţei pentru delimitarea suprafeţei zonei de tranziţie a structurii p-n (fig. 5.4.c);

4. înlăturarea fotorezistului (fig. 5.4.d);5. metalizarea zonelor de contact (fig. 5.4.e).


Diode planar epitaxiale Procesul tehnologic prezentat în figura 5.5

cuprinde etape ale epitaxiei selective: - 1. proces fotolitografic care stabileşte "fereastra"

zonei epitaxiale (fig. 5.5.a);2. corodare (fig. 5.5.b)3. depunerea stratului epitaxial (fig. 5.5.c);4. corodarea stratului de Si02 (fig. 5.5.d)5. metalizarea neselectivă şi apoi gravarea zonelor

de contact (fig. 5.5.e). Ansamblul astfel obţinut se fixează pe grila capsulei şi se realizează legăturile electrice la terminalele capsulei,



Fig. 5.4 Fig. 5.5


Diode epitaxial difuzate La realizarea diodelor de putere se

folosesc joncţiuni pn difuzate într-un strat epitaxial. Difuzia de tip p (cu adâncime de 10 um şi concentraţie NA=1019 cm3) este realizată în stratul epitaxial slab dopat (ND=1014 cm3) depus pe un substrat puternic dopat (ND=1019 cm) de acelaşi tip cu stratul epitaxial . Secţiunea transversală printr-o joncţiune a unei diode epitaxial difuzate, alături de simbolul diodei este prezentată în figura 5.6.


Diode epitaxial difuzate Asemenea joncţiuni se folosesc la diodele

pentru redresarea curenţilor mari (zeci, sute de amperi) la tensiuni ridicate (sute ...mii de volţi). Aria joncţiunii depinde de valoarea curentului pentru care este destinat dispozitivul. Suprafeţele joncţiunilor diodelor de putere folosite la redresarea curenţilor de sute de amperi ating câţiva cm2, în procesul tehnologic de obţinere a acestor joncţiuni se folosesc plachete cu diametre D>100 mm.


Diode epitaxial difuzate

Fig. 5.6 Simbolul şi secţiunea transversală prin joncţiunea pn a unei diode epitaxial difuzate


Diode Schottky

Diode Schottky sunt formate din joncţiuni metal-semiconductor la care la transportul curentului participă numai purtătorii majoritari. Conducţia curentului nu se bazează pe un exces de sarcină electrică, aceasta fiind rezultatul unei emisii termoelectrice de electroni din metal spre semiconductor şi invers. Când joncţiunii metal - semiconductor i se aplică o tensiune, curentul de electroni dintr-o direcţie domină curentul de electroni de sens opus. Caracteristic pentru diodele Schotky este făptui că stratui de baraj se găseşte in zona mai puţin dopată, adică în stratul epitaxial al materialului semiconductor. Deoarece în metal sarcina negativă a stratului dublu electric ocupă o grosime foarte mică (grosimea unui strat monoatomic), datorită concentraţiei mari de electroni din metal, căderea de tensiune este mai mică decât la joncţiunile semiconductoare (U<r 0,2...0,3 V).


Diode Schottky Dioda Schottky se obţine prin depunerea unei pelicule

metalice (anodul diodei) pe un stratul epitaxial de tip n (n-Epi) depus pe un substrat puternic impurificat (n+ - catodul diodei).

La selecţia metalului se ia în considerare o serie de criterii cum ar fi: lucru mecanic de extracţie al electronilor, gradul de aderenţă, rezistenţa la coroziune.

Pentru obţinerea caracteristicilor electrice necesare se acţionează asupra potenţialului termoelectric al anodului (alegerea materialului aflat în contact cu materialul semiconductor) şi asupra modului de dispunere a stratului metalic în raport cu stratul epitaxial.


Diode Schottky Substratul folosit la realizarea diodelor

Schottky este puternic dopat pentru a reduce rezistenţa la conducţia directă. Grosimea şi gradul de dopare al stratului epitaxial determină valorile tensiunii inverse maxime la fel ca la diodele epitaxiale.

Diodele Schottky se folosesc în circuitele de redresare, de detecţie şi la cele de mixare la frecvenţe medii şi mari. Pentru aceasta materialul substratului este de obicei GaAs, având în vedere valoarea ridicată a mobilităţii


Diode Schottky

Variante constructive de diode Schottkya) Varianta planarăb) Tehnologia mesa

inversăc) Dioda Schottky cu

metalizare dublăd) Dioda Schottky cu

inel de protecţie

Documents

Tehnologia diodelor semiconductoare