Title: IX 8 7:40 (1 of 7)

P­N (PN) PŘECHOD P­N přechod lze realizovat pouze z POLOVODIČŮ. Jedná se o  materiál, který musí mít dokonalý krystal bez příměsí a nečistot  (čistota musí být lepší než 99,9999 %).  Czochralského metoda tvorby monokrystalu:

Podívejme se nejprve na to, jakým způsobem získáváme výchozí  materiál pro výrobu polovodičových součástek ­ čistý monokrystalický  křemík.  Čistota materiálu je také jedním ze základních požadavků na  materiál pro výrobu polovodičových součástek. Uvědomíme­li si, že  intrinsický materiál, tj. materiál bez příměsí, obsahuje jeden pár  elektron­díra na zhruba 10­9 atomů, pak nečistota, tj. koncentrace  příměsí, řádu 10­9 zvýší koncentraci nosičů náboje dvakrát. Běžná  čistota tzv. spektrálně čistých plynů, se měří v jednotkách ppm (particle  per milion), tj. v jednotkách 10­6. Jediná jednotka ppm by tedy zvýšila  koncentraci nosičů, a tedy i vodivost polovodičového materiálu, tisíckrát.  Jinak řečeno, v polovodičovém průmyslu, dnes braném jako zcela  běžnou součást našeho života, se jedná o čistoty zhruba tisíckrát lepší,  než bylo běžné v dřívější praxi. Je zřejmé, že elektrická vodivost je velmi  dobrým indikátorem čistoty, a že zájem o polovodičový materiál byl  příčinou intenzívní snahy o vyřešení problému purifikace materiálu. Představme si tedy, že máme vyrobit z purifikovaného křemíku ve formě  drobných zrn monokrystalický materiál vhodný pro planární technologii.   Metoda výroby tohoto materiálu (ingotu) je znázorněna na obrázku 4.1 a   byla nazvána Czochralského (čti čochralského) metodou. Je to metoda  pomalého tažení monokrystalického ingotu z taveniny výchozího  materiálu, tedy křemíku. Křemík je umístěn v grafitové válcové nádobce v  nádobě z křemenného skla. Křemenné sklo je voleno ze dvou důvodů;  jednak vydrží velmi vysokou teplotu, jednak jsou v něm malé dielektrické  ztráty. Válcová nádobka, ve které je křemík umístěn, je ohřívána na  potřebnou teplotu pomocí tzv. indukčního ohřevu. K takovému ohřevu  potřebujeme výkonový vysokofrekvenční generátor, s frekvencí typicky  500 kHz a výkonem několika kW. Energii z generátoru pak vedeme přes  obvod přizpůsobující impedanci generátoru impedanci zátěže  (vzpomeňte si například z úvodu; výkon dodaný ze zdroje do zátěže je  maximální, má­li zátěž odpor stejný jako je vnitřní odpor zdroje; tento  závěr se dá zobecnit na obecnou impedanci tak, že výkon do zátěže je  maximální, jsou­li reálné složky vnitřní impedance zdroje a zátěže stejné  a imaginární složky impedance zdroje a zátěže mají opačné znaménko)  na primární vinutí vysokofrekvenčního transformátoru, které je navinuto  zvnějšku válcové křemenné nádoby. Sekundár tohoto transformátoru  tvoří grafitová nádobka, ve které je křemík umístěn. Při správném  přizpůsobení dostaneme tak značnou část výkonu generátoru do tohoto  sekundárního závitu (dielektrické ztráty v křemenném skle jsou malé,  takže sklo se energií z generátoru přímo neohřívá; ohřívá se však radiací  od grafitové nádobky) a to má za následek, že nádobku ohřejeme na  teplotu potřebnou k roztavení křemíku.  Vzhledem k tomu, že proces  probíhá v inertní atmosféře, křemík se neoxiduje a je možné s ním  pracovat ve stavu taveniny. Shora do nádobky s křemíkem zasahuje osa,  na jejímž dolním konci je umístěn tzv. zárodečný krystal.  Je to kus  monokrystalického materiálu válcového tvaru s takovým průměrem, který  chceme vyrábět. Konec zárodečného krystalu se nejprve ponoří do  taveniny a pak se za pomalého otáčení z taveniny vytahuje. Výsledkem  této činnosti je ingot křemíku válcovitého tvaru, ve kterém je relativně  málo poruch krystalové mříže. 

(c) Ing. Josef Varačka

Title: IX 8 ­ 7:40 (1 of 7)

Růst monokrystalu  je počáteční operací. Vstupní polykrystalický  křemík s přídavkem malého množství dopantu, který určuje elektrické  vlastnosti výsledného produktu, je roztaven v křemenném kelímku a do  taveniny je ponořen monokrystalický zárodek. Regulací rychlosti  tažení, teploty taveniny, otáček a řady dalších technologických  parametrů se docílí toho, že atomy křemíku se postupně zabudovávají  do přesně definovaných poloh v krystalové mřížce a tvoří monokrystal o  požadovaném průměru a vlastnostech. 

Hodnocení parametrů  se provádí po odřezání začátku a konce  krystalu na kontrolních deskách. Části krystalu splňující specifikaci se  obrousí na požadovaný průměr.

Řezání monokrystalu  je další operací, při níž se krystal rozčlení na  jednotlivé desky, a to buď technologií řezání na pilách s vnitřním  diamantovým bortem nebo tzv drátových řezačkách, kde se zpracovává  celý díl krystalu najednou.  Zaoblování  ostrých hran desek po nařezání zabraňuje vzniku výštipků  a lomů při následných operacích. Profilování okraje se děje pomocí  diamantového kotoučku s drážkou požadovaného tvaru. Oboustranné lapování  pomocí jemné suspenze kysličníku hlinitého  odstraňuje z povrchu desek větší část narušení z řezání a zlepšuje  geometrické parametry jako jsou planparalelita a rovinnost.

(c) Ing. Josef Varačka

Title: IX 17 ­ 12:06 (2 of 7)

Leptání  ve směsi kyselin odstraňuje zbytkové narušení po lapování.  Úpravy zadní strany desek  se provádějí na většině produkce Si  desek. Dle požadavků zákazníků na jednotlivé produkty se jedná o: • depozice polykrystalického křemíku na zadní stranu nebo narušení  zadní strany desek pískováním za účelem zvýšení getrační schopnosti  desek  • depozice vrstvy oxidu křemičitého na zadní stranu jako prevence  autodopingu během nanášení epitaxní vrstvy 

Leštění  je kombinací chemických a mechanických procesů, které  dávají přední straně desek zrcadlově lesklý povrch v kvalitě potřebné  pro současnou výrobu polovodičových součástek. Poté desky  procházejí sérií chemických a mechanických čistících kroků, při nichž  se ostraňují zbytky leštící suspenze, stopové kontaminace i prachové  částice. Část leštěných desek je po vizuální kontrole zabalena a  distribuována přímo zákazníkům, část pokračuje na operaci epitaxe. 

Epitaxní vrstva  je velmi tenká vrstva rovněž monokrystalického  křemíku, která se deponuje na základní monokrystalickou desku.  Jedná se o ultračistou vrstvu z pohledu nečistot s velmi přesným  obsahem elektricky aktivního dopantu. 

(c) Ing. Josef Varačka

Title: IX 17 ­ 12:10 (3 of 7)

Vytahováním ingotu z taveniny ubíráme ovšem materiál z grafitové  nádobky, proto jej musíme přidávat; jeden z možných způsobů je  přidávání materiálu do taveniny ve formě zrníček, pelet. Průměr  monokrystalického ingotu rostl v průběhu vývoje s tím, jak se  zlepšovalo ”know how” této metody; od cca jednoho centimetru v  počátcích polovodičové éry až po dnešní ingoty s průměrem okolo 15­ 20 centimetrů. Je zřejmé, že během výroby těchto monokrystalických  ingotů je možné do taveniny přidávat definované množství žádoucích  příměsí, takže vytvořený monokrystalický materiál pak bude typu P  nebo N. Takto připravený materiál je ingot válcovitého tvaru a je tedy nutné z  něj připravit destičky tenké cca 0,2 mm, které jsou potřeba pro vlastní  výrobu polovodičových prvků. Ty se dostanou rozřezáním válcového  ingotu v rovině kolmé na jeho osu pomocí tzv. diamantové pily, což je  okružní pila s listem ve tvaru tenké kruhové ocelové folie, na které je z  obou stran přitmelen diamantový prášek.  Pak následuje leštění  povrchu těchto křemíkových kotoučků (zvaných salámky, neboť  vypadají jako na plátky nakrájený salám) na takovou rovinnost, aby  případné nerovnosti povrchu byly srovnatelné s vlnovou délkou  viditelného světla. Tento proces je běžný z optického průmyslu a tedy  nevyžaduje podrobnějšího popisu; leští se mechanicky pomocí  brusných past s postupně menšími a menšími zrny až povrch  křemíkové destičky připomíná dobré opticky přesné zrcadlo. P­N přechod vzniká dotací pětimocných a třímocných prvků. Křemík je  čtyřmocný ­ pokud přidáme pětimocný prvek, přebyde elektron ­ vzniká  polovodič s vodivostí N ­ elektronovou vodivostí. Pětimocné příměsi se  nazývají donory ­ dárci. 

(c) Ing. Josef Varačka Title: IX 8 ­ 7:27 (4 of 7)

DIODY Polovodičové prvky, obsahují jeden přechod P­N.

IF [mA]

+ K

A

UR [V]

UF [V]

Uf, If ­ propustný  směr Ur,Ir ­ závěrný směr

P

IRmax IR [mA]

N

Druhy diod: ­ usměrňovací                    ­ LED diody                    ­ fotodiody                    ­ tunelové (Esakiho) diody                    ­ Zenerovy diody                    ­ Schottkyho diody                    ­ kapacitní diody (varikapy, varaktory)  Usměrňovací diody: slouží k usměrnění střídavého proudu či napětí  průmyslových kmitočtů (50 Hz, 400 Hz, 800 Hz; spínané zdroje ­ až 16  kHz). Musí být dostatečně proudově a napěťově dimenzované, nemusí  být rychlé ­ mohou mít libovolnou kapacitu přechodu. Materiál ­ křemík  (Si), výjímečně germanium (Ge) ­ menší napětí v propustném směru  (cca 0,3 V proti 0,7 V Si), mají ale větší závěrný proud.

LED diody: jsou to "svítící" diody. Světlo nevzniká jako u žárovky  teplem, ale rekombinací nosičů náboje, kdy se uvolňuje foton a fonon.  Vlnovou délku neurčuje světelný filtr, ale materiál. Vlnová délka je  přesná, nevzniká spektrum světelného záření. Materiálem jsou tzv.  intermetalické slitiny GaAs, GaP, GaInP,...  Běžná závěrná napětí Ur jsou kolem 10 V, propustná Uf jsou kolem 2­ 3 V, proudy kolem 30 ­ 40 mA.  Bodové, rozptylky (podle pouzdra), laserové diody mají skleněnou  čočku k dosažení koherence paprsku.  Barvy: červená, zelená, oranžová, modrá, žlutá, bílá, IR.

Fotodiody: na rozdíl od LED diod při dopadu světla generují napětí.  Materiál ­ nejčastěji Si. Nebo také mění vlastnosti ­ propustnost v  propustném směru. 

Tunelové diody: vyrábí se z dotovaného Ge nebo GaAs. Proti obyčejné  diodě má V­A charakteristiku jinou.  Tunelová (Esakiho) dioda je dioda využívající tunelový jev  v  propustném směru  který je vyvolaný stavem degenerace zvyšováním  koncentrací při kterém Fermiho energetické hladiny  přecházejí až do  valenčního, respektive vodivostního pásu.  (c) Ing. Josef Varačka

Title: XII 21 ­ 7:57 (5 of 7)

If [mA]

Pp

Ip

Pv

Iv Up ~ 0,1 V

Ur [V]

0,3

Uf

[V]

Uv ~ 0,27 V Ir [mA]

Dioda vede přímo úměrně se zvyšováním anodového napětí do bodu  Ip. Potom se zvyšováním napětí proud klesá až do Iv. Potom se V­A  charakteristika rovná normální diodě. Stabilizační (Zenerovy) diody: využívají tunelového nebo lavinového  průrazu v závěrném směru. Dynamický odpor závisí na stabilizovaném  napětí. Teplotní koeficient u tunelového průrazu je záporný (snižuje se  šířka zakázaného pásma), u lavinového průrazu kladný (zmenšuje se  počet nosičů). Teplotní koeficient může být nulový ­ mezi oběma typy  průrazů. Při přechodu lavinový průraz ­ šum ­ šumové diody, při vyšším  napětí klesá .  If [mA]

Ur [V]

Uf [V]

Ir max Ir [mA] Výkonové omezení

Nejedná se o destruktivní průraz, nýbrž o nedestruktivní lavinov ý.

Zenerovy diody jsou navrhovány a konstruovány tak, aby závěrná část VA  charakteristiky měla ostře vyjádřené průrazné napětí U R(BR) . Pracovní  oblast těchto diod leží v oblasti elektrického nedestruktivního průrazu, kdy  se při velkých změnách proudu mění hodnota Zenerova napětí U Z jen  velmi málo. S ohledem na skutečnost, že vodivost polovodičů je silně  závislá na teplotě, zahrnujeme její vliv na chování součástek pomocí  teplotního součinitele , definovaného vztahem  KZ = ΔU / Δθ ∙100 / U [%; K−1]. Teplotní součinitel pro oblast závěrných napětí může být jak kladný, tak  záporný, resp. roven nule. Lze zhruba říci, že tam, kde převládá Zenerův  mechanismus průrazu, tj. pro U Z < 6 V je KZ < 0.  Pracovní oblastí Zenerových diod rozumíme VA charakteristiku v  závěrném směru. Z průběhu VA charakteristiky Zenerovy diody je zřejmé,  že diferenciální odpor v její pracovní oblasti je velmi malý.  Zenerova dioda je křemíková plošná dioda se slitinovým nebo difuzním  přechodem, jejíž závěrná část charakteristiky se vyznačuje ostrým  zlomem při Zenerově napětí. Charakteristika v přímém směru je shodná s  charakteristikou běžné polovodičové diody. Prahové napětí je 0,70 až 0,72  V. Pracovní oblast leží v oblasti elektrického nedestruktivního průrazu,  nesmí však překročit maximální ztrátový výkon PZ.  Zenerův jev se uplatňuje pouze na velmi tenkých přechodech, příslušné  napětí diod je do 6 V. 

(c) Ing. Josef Varačka

Title: IX 13 ­ 7:29 (6 of 7)

Kapacitní diody Varikapy Provozní napětí je omezeno z jedné strany malým napětím v přímém  směru a z druhé strany průrazným napětím přechodu. Rozsah  pracovních napětí bývá od −1 V do −30 V. Těmto hodnotám odpovídá  rozsah kapacit od 20 až 100 pF do 2,5 až 10 pF.  Poměr maximální a  minimální kapacity se pohybuje v rozmezí 2,5 až 6, u speciálních až  20. Pro výrobu se používá nejčastěji křemík, pro vysokofrekvenční  varikapy Ge nebo GaAs.  Varikap mění hodnotu kapacity v závislosti na ss. napětí. Přiváděné  amplitudy vf. signálu jsou relativně malé, takže změna kapacity je  prakticky lineární. Používají se místo ladících kondenzátorů v  rozhlasových a televizních přijímačích a lze je zapojovat v oscilátorech  pro dolaďování.  Varaktory Varaktory pracují s velkým signálem, takže dochází k velké změně  kapacity. Vzhledem k nelinearitě vznikají vyšší harmonické složky.  Stejnosměrné předpětí se zpravidla nepřivádí.  Vyrábějí se i planárně­ epitaxní technologií. Rozsah kmitočtů 30 MHz až 10 GHz. V současné  době se užívají pro parametrické zesilovače, násobiče kmitočtu, pro  ladění Gunnových a tranzistorových oscilátorů.  Varaktor musí mít malý  tepelný odpor. Varaktor lze provozovat i jako varikap (obráceně to  neplatí). 

Schottkyho dioda Schottkyho dioda je součástka, která využívá usměrňovací vlastnost  přechodu MN (kov­polovodič). Velkou výhodou tohoto přechodu je, že v  něm nedochází k injekci minoritních nosičů náboje.  Vedení proudu je  realizováno pouze majoritními nosiči, což přináší řadu výhod.  Schottkyho přechody mají v přímém směru menší úbytky napětí než  přechod PN. Z polovodiče N přecházejí do kovu tzv. horké elektrony z  vrcholu energetické bariéry, které v kovu ztrácejí přebytek své energie.  To předurčuje Schottkyho diody pro zpracování signálů s vysokými  kmitočty.  Pro výrobu Schottkyho diod se nejčastěji používá křemík nebo GaAs.  Základ struktury tvoří destička silně dotovaného polovodiče N+. Na ní  se epitaxí nanese vrstva typu N. Kontakt kov­polovodič se vytváří  napařování. Epitaxní slabě dotovaná vrstva zajišťuje diodě dobré  závěrné vlastnosti, silně dotovaná vrstva pak dobrý ohmický kontakt a  malý sériový odpor.  Schottkyho diody se používají v aplikacích pro velmi vysoké frekvence,  kde nahrazují hrotové diody, proti nimž mají lepší mechanickou  pevnost, reprodukovatelnost při výrobě, menší šum a vyšší závěrné  napětí. Vzhledem k rychlým spínacím časům a malému napětí v  průchozím směru jsou Schottkyho diody užívány ve spínačích s dobou  sepnutí jednotky ns i menší, jako ochranné prvky a jako součástky  rychlých logických integrovaných obvodů.  Malé napětí v přímém směru  umožňuje využívat Schottkyho diod ve výkonové technice jako  usměrňovače a spínače s větší energetickou účinností, menšími  rozměry a hmotností než klasické diody. Jedním z nedostatků je menší  závěrné napětí (průrazné napětí 10 až 150 V). 

Vysokofrekvenční a spínací diody Uvedené diody se používají v zapojeních, která pracují na vysokých  kmitočtech nebo v impulzním režimu. Proto musí vykazovat velmi  krátkou hodnotu zotavovací doby trr < 500 ns, z čehož vyplývá hodnota  bariérové kapacity Cb řádově pF. S ohledem na rozsah přenášených  kmitočtů je třeba, aby tyto diody vykazovaly malou hodnotu kapacity  přechodu PN v závěrném směru a zároveň nízkou hodnotu difuzního  napětí. Uvedené podmínky musí být splněny v případě požadavku  detekce, resp. usměrnění VF signálu o malé hodnotě amplitudy. 

(c) Ing. Josef Varačka

Title: IX 13 ­ 9:49 (7 of 7)