ELABORAREA SILICIULUI I REALIZAREA PLACHETELOR SEMICONDUCTOARE

Tehnologia diodelor semiconductoareTehnologie electronic - Curs 51Diodele semiconductoare au la baz o jonciune p-n prevzut cu contacte metalice ataate la cele dou zone. Acest ansamblu este introdus ntr-o capsul din sticl, material plastic sau metal cu rol de protecie i de transfer al cldurii degajate n funcionare. Clasificarea diodelor semiconductoare se poate face dup tehnologia de fabricaie i dup domeniul de utilizare. Tehnologie electronic - Curs 52Tehnologie electronic - Curs 5

Clasificare a tehnologiilor de realizare a diodelor semiconductoare3Diodele cu contact punctiformTehnologie electronic - Curs 5

Diodele cu contact punctiform au la baz o jonciune p-n care se formeaz ntre un cristal de Ge de tip n i un vrf metalic (de exemplu: wolfram sau bronz) aflat n contact cu acest cristal de material semiconductor. 4Diodele cu contact punctiformPentru mbuntirea caracteristicilor jonciunii, aceste diode se supun unui proces de formare prin aplicarea unor impulsuri de curent. Impulsurile de curent de amplitudine mare (cu valori mai mari dect curentul nominal) produc nclzirea structurii din jurul vrfului metalic. n aceast zon, prin difuzia atomilor din metal n cristalul semiconductor, are loc formarea unei zone de tip p. Vrful metalic corespunde contactului anodului diodei, iar materialul semiconductor (n-Ge) formeaz catodul.

Tehnologie electronic - Curs 55Diodele cu contact punctiformAceast jonciune se caracterizeaz printr-o suprafa mult mai mic comparativ cu alte tipuri de jonciuni. Capacitatea echivalent a jonciunii este foarte redus i ca urmare aceste diode pot fi folosite la frecvene foarte mari (sute MHz) n circuitele de comutaie sau n cele de detecie.

Tehnologie electronic - Curs 56Diode aliateDiodele aliate denumite astfel dup tehnologia alierii, procedeu de impurificare controlat folosit n special la dispozitivele semiconductoare cu germaniu, pe baza creia se realizeaz jonciunile acestor diode. Jonciunile realizate prin aliere sunt abrupte, deoarece concentraia realizat corespunde "solubilitaii maxime" a impuritilor n materialul semiconductor. Zonele neutre ale jonciunilor au lezisten redus, ataarea contactelor metalice se face cu uurin. Datorit productivitii mici i a performanelor modeste ale dispozitivelor realizate prin aliere, n prezent acest procedeu are o utilizare limitat.Tehnologie electronic - Curs 57Diode aliateO modalitate de realizare a unei jonciuni p-n de germaniu, prin tehnologia alierii, cu indicarea principalelor operaii se poate urmri n figura 5. Se folosesc cipuri din germaniu de tip n pe care se poziioneaz materialul de impurificare (mici sfere de Indiu) de tip p (fig. 5.a). Poziionarea materialului de impurificare pe suprafaa cipului se realizeaz prin intermediul unei casete din grafit. Prin nclzirea ansamblului n jurul temperaturii de topire a indiului (Tt= 157 C) se produce o dizolvare parial a indiului n cristalul de germaniu, realiznd zona de tip p a jonciunii (fig. 5.b). Tehnologie electronic - Curs 58Diode aliate Regiunea din vecintatea jonciunii se contureaz (fig. 5.c) pentru a mbuntii caracteristica de blocare, respectiv creterea tensiunii inverse maxime. Montajul diodei se realizeaz prin lipirea cristalului semiconductor pe grila (ambaza) capsulei (fig. 5.d). Ataarea contactului la zona p a jonciunii se realizeaz prin topirea superficial a stratului de indiu (157 C) (fig. 5.e).

Tehnologie electronic - Curs 59Diode aliateSe face n direcia stratului mai puin dopat pentru a se produce o lrgire a regiunii de sarcin spaial. n acest fel intensitatea cmpului electric la suprafa, cmp creat de sarcinile electrice din zona jonciunii, se reduce i prin acesta crete tensiunea de strpungere.

Tehnologie electronic - Curs 510Diode aliateTehnologie electronic - Curs 5

11Diode difuzateDiodele difuzate cu siliciu se obin n urma unui proces de difuzie de impuriti acceptoare (tip p) ntr-un substrat de tip n sau printr-o difuzie de impuriti donoare (tip n) pe un substrat de tip p. Procesul de fabricaie are loc n cadrul tehnologiei planare, tehnologie specific siliciului, n care succesiunea de operaii se realizeaz pc aceiai fa a plachetei semiconductoare folosind tehnica fotolitografic.

Tehnologie electronic - Curs 512Diode difuzateEtapele principale care permit fabricarea unei diode ntr-un substrat de siliciu de tip n se pot urmri n figura 5.2. n prima faz, dup curirea substratului placheta de siliciu este supus unui proces de oxidare umed, obtinndu-se un strat de Si02 pe toat suprafaa plachetei (fig. 5.2.a).Tehnologie electronic - Curs 513Diode difuzatePrin procesul fotolitografic 1 se deschide fereastra de difuzie. Acest proces const din urmtoarele faze: expunerea (fig. 5.2.b);developarea fotorezistului (fig. 5.2.c);corodarea (deschiderea ferestrei de difuzie) (fig. 5.2.d).

Tehnologie electronic - Curs 514Diode difuzatePrin procesul fotolitografic 2 se urmrete realizarea contactului anodului prin parcurgerea, n principal, a urmtoarelor faze:reoxidarea (fig. 5.2.f);deschiderea ferestrei de metalizare (fig. 5.2.g);metalizarea neselectiv cu aluminiu (fig. 5.2.h).recoacere forming-gaz;depunere de sticl de bor - acoperire de pasivizare;fotolitografie pentru realizarea deschiderilor pentru contacte prin stratul de pasivizare.

Tehnologie electronic - Curs 515Diode difuzateUrmtoarele operaii ale tehnologiei diodelor difuzate vizeaz obinerea contactelor metalice ale zonei p (anod) i a zonei n (catod):corodarea stratului de aluminiu (fig. 5.2.i);metalizarea prii inferioare a substratului (contact eutectic cu aur);ataarea contactului anodului (fig. 5.2.k).

Tehnologie electronic - Curs 516Diode difuzateTehnologie electronic - Curs 5

17Diode difuzateAnsamblul astfel obinut se introduce ntr-o capsula specific tipului de diod.Prin tehnologia difuziei se pot realiza jonciuni cu suprafee suficient de mari care s permit utilizarea lor n construcia diodelor redresoare pentru cureni mari, dar cu tensiuni inverse de valori relativ reduse. Pentru ca jonciunea difuzat s funcioneze la o tensiune invers Ub (capabilitatea n tensiune), este necesar o anumit dopare a materialului de baz (al substratului) NBi aa cum se indic n diagrama din figura 5.3 Tehnologie electronic - Curs 5

18Diode planar epitaxialeTehnologie electronic - Curs 5Diode planar epitaxiale constau dintr-o jonciune realizat ntre un substrat de siliciu de tip n sau p i un strat epitaxial depus cu impurificarea diferit fa de substrat.

19Diode planar epitaxialePrincipalele etape ale tehnologiei acestor diode, n cazul a dou variante constructive sunt prezentate n figura 5.4 (tehnologia tip mesa) i n figura 5.5 (epitaxia selectiv). Operaiile procesului tehnologic din figura 5.4 cuprind, n prima faz, depunerea pe placheta de siliciu a unui strat epitaxial slab dopat (fig. 5.4.a).Tehnologie electronic - Curs 520Diode planar epitaxialeEtapele tehnologice ale producerii unei diode prin epitaxie, aa cum sunt ilustrate n figura 5.4 cuprind:depunerea pe placheta de siliciu a unui strat epitaxial slab dopat (fig. 5.4.a);proces fotolitografic prin care se definete geometria structurii (fig. 5.4.b);corodarea chimic a suprafeei pentru delimitarea suprafeei zonei de tranziie a structurii p-n (fig. 5.4.c);nlturarea fotorezistului (fig. 5.4.d);metalizarea zonelor de contact (fig. 5.4.e).

Tehnologie electronic - Curs 521Diode planar epitaxialeProcesul tehnologic prezentat n figura 5.5 cuprinde etape ale epitaxiei selective: - proces fotolitografic care stabilete "fereastra" zonei epitaxiale (fig. 5.5.a);corodare (fig. 5.5.b)depunerea stratului epitaxial (fig. 5.5.c);corodarea stratului de Si02 (fig. 5.5.d)metalizarea neselectiv i apoi gravarea zonelor de contact (fig. 5.5.e). Ansamblul astfel obinut se fixeaz pe grila capsulei i se realizeaz legturile electrice la terminalele capsulei,

Tehnologie electronic - Curs 522Diode planar epitaxialeTehnologie electronic - Curs 5

Fig. 5.4Fig. 5.523Diode epitaxial difuzateLa realizarea diodelor de putere se folosesc jonciuni pn difuzate ntr-un strat epitaxial. Difuzia de tip p (cu adncime de 10 um i concentraie NA=1019 cm3) este realizat n stratul epitaxial slab dopat (ND=1014 cm3) depus pe un substrat puternic dopat (ND=1019 cm) de acelai tip cu stratul epitaxial . Seciunea transversal printr-o jonciune a unei diode epitaxial difuzate, alturi de simbolul diodei este prezentat n figura 5.6.

Tehnologie electronic - Curs 524Diode epitaxial difuzateAsemenea jonciuni se folosesc la diodele pentru redresarea curenilor mari (zeci, sute de amperi) la tensiuni ridicate (sute ...mii de voli). Aria jonciunii depinde de valoarea curentului pentru care este destinat dispozitivul. Suprafeele jonciunilor diodelor de putere folosite la redresarea curenilor de sute de amperi ating civa cm2, n procesul tehnologic de obinere a acestor jonciuni se folosesc plachete cu diametre D>100 mm. Tehnologie electronic - Curs 525Diode epitaxial difuzateTehnologie electronic - Curs 5

Fig. 5.6 Simbolul i seciunea transversal prin jonciunea pn a unei diode epitaxial difuzate26Diode Schottky

Diode Schottky sunt formate din jonciuni metal-semiconductor la care la transportul curentului particip numai purttorii majoritari. Conducia curentului nu se bazeaz pe un exces de sarcin electric, aceasta fiind rezultatul unei emisii termoelectrice de electroni din metal spre semiconductor i invers. Cnd jonciunii metal - semiconductor i se aplic o tensiune, curentul de electroni dintr-o direcie domin curentul de electroni de sens opus. Caracteristic pentru diodele Schotky este fptui c stratui de baraj se gsete in zona mai puin dopat, adic n stratul epitaxial al materialului semiconductor. Deoarece n metal sarcina negativ a stratului dublu electric ocup o grosime foarte mic (grosimea unui strat monoatomic), datorit concentraiei mari de electroni din metal, cderea de tensiune este mai mic dect la jonciunile semiconductoare (U