1. Изложить процессы окисления кремния в порах воды и в сухом кислороде.
2. Какие существуют типы резисторов полупроводниковых ИС? Дать их сравнительную характеристику.
3. Нарисовать принципиальную схему элемента КМОП-логики. Пояснить принцип действия и область применения. Опешите принцип действия и устройство тетрода. В чем назначение второй сетки тетрода? Виды тетродов.
4. 1. Процессы окисления кремния в парах воды и в сухом кислороде
Благодаря своим уникальным электрофизическим свойствам двуокись кремния находит широкое применение на различных стадиях изготовления СБИС. Слои SiO2 используется как:
1. маска для диффузии легирующих примесей
2. для пассивации поверхности полупроводников
3. для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга
4. в качестве подзатворного диэлектрика
5. в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве КМОП элементов памяти
6. в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией
7. как составная часть шаблона для рентгеновской литографии
Среди преимуществ, обуславливающих использование этого диэлектрика, следует выделить то, что SiO2 является "родным" материалом для кремния, легко из него получается путем окисления, не растворяется в воде, легко воспроизводится и контролируется.
Термическое окисление кремния
Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине за счет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника атомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температуры T = 900 - 1200 С. Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород. Схематично
вид установки показан на рис. 1.
???. 1.
Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины, соответствует одному из следующих уравнений:
окисление в атмосфере сухого кислорода: Siтверд.+ O2 = SiO2
окисление в парах воды: Siтверд.+2H2O = SiO2 + 2H2.
Окисление происходит гораздо быстрее в атмосфере влажного кислорода, поэтому его используют для синтеза более толстых защитных слоев двуокиси кремния.
Методом радиоактивного маркера показано, что рост SiO2 происходит за счет диффузии кислорода к поверхности кремния. Выход SiO2 за границы начального объема, занимаемого кремнием, обусловлен их разными плотностями. Физика термического окисления может быть объяснена с помощью достаточно простой модели Дила-Гроува, поясняемой с помощью рис. 2.
Процессы плазменного окисления металлов и полупроводников заключается в формировании на их поверхности оксидных слоев при помещении в кислородную плазму образцов. Образцы могут быть изолированными (плазменное оксидирование) или находиться под положительным относительно плазмы потенциалом (плазменное анодирование).
На рисунке изображена принципиальная схема установки для осуществления процесса плазменного анодирования. Кислородная плазма возбуждается в объеме 1 генератора плазмы.
Существует несколько видов плазмы, отличающиеся способом возбуждения.
Тлеющий разряд на постоянном токе.
При этом в объеме 1 создается пониженное давление кислорода (обычно 0.1--1 Торр) и между электродами 2 и 3 прикладывается постоянное напряжение разряда Ud величиной внесколько сотен вольт.
Дуговой разряд низкого давления.
Катод 3 нагревается за счет пропускания через него тока накаливания. Вследствие чеготермоэмиссии электронов с поверхности катода облегчается ионизация газоразрядного промежутка, что приводит к снижению напряжения Ud до величины менее 100 В
ВЧ разряд (радиочастотный разряд).
Плазма возбуждается за счет поглощения ВЧ мощности генератора, связанного с объемом 1 либо индуктивно, либо емкостным способом ( ВЧ напряжение подается на пластины 2 и 3 ).
??? ?????? (????????????? ??????).
?????? ???????????? ??? ?????????? ??? ???????? ??????????, ?????????????? ? ??????? 1 ? ??????? ?????????.
??????????? ??????? 4 ????????? ??? ????????????? ???????????? ?????? ??????????? f? (??????????? ????????), ??????? ???????? ?? ??????? ????? ??????????? ???????. ??? ???? ???????? (? ????? ???? ????????????? ???????????? ?????, ????????? ??????????? ????????? ?????? ???????????. ??????? ??????????? ?????? ? ?????????? ?????????????? ? ??????? ??????????? "?????????" ????????? fb,
??? ???????, ????????????? ???????????? ?????????? ????????????? ?????? (?. ???? ??????? ?????????? ?? ??????? ????????????? ???? (?????????? ?????????????), ?? ??? ??????????? ??????????? "?????????" ????????? (f. ??????? ???????? ?????????? f? ?? ??????? ???????? ?????????? ????? ???? ???????? ???? Ia (??? ???? ????????), ??????? ??????? ?? ?????? ???????????? Ii, ?????????? ???? ??????, ? ??????????? ???????????? Ie. ??? ?????? ???? ??????? ????, ??? ??????????? ????????? ???? ?????????? ???????.
Полупроводниковые резисторы – это резисторы, изготовленные на основе полупроводникового материала методами полупроводниковой технологии. Различают объемные и диффузионные полупроводниковые резисторы.
Объемные резисторы получают путем создания омических (невыпрямляющих) контактов металла с полупроводником. При идеальных контактах удельное сопротивление ?? такого резистора определяется объемными свойствами полупроводника.
Поскольку на практике используют легированные полупроводники, их удельное сопротивление в случае полной ионизации примеси:
???=[q??Nд+]-1 ??? Nд >> Na
?р?=[q??Nа-]-1 ??? Nа >> N?
Несмотря на простоту конструктивного и технологического исполнения, объемные резисторы не нашли широкого применения из-за большой занимаемой площади и температурной нестабильности.
Диффузионные резисторы формируют на основе диффузионных слоев, толщина которых намного меньше их ширины и длинны. Диффузионные резисторы изолированы от остального объема полупроводника p-n -переходом. Они могут быть изготовлены одновременно с другими элементами при формировании структуры полупроводниковых ИМС. Поэтому для реализации диффузионных резисторов в полупроводниковых ИМС используют те же диффузионные слои, которые образуют основные структурные области транзистора: базовую, эмиттерную, или коллекторную.
Сопротивление диффузионного резистора R определяется удельным сопротивлением полупроводникового слоя, его глубиной и занимаемой площадью:
( 1 )
где ?s -удельное поверхностное сопротивление слоя
Диффузионные резисторы могут быть реализованы на основе любой из структурных областей транзистора. Для их использования в ИМС на поверхности структурных областей создают омические контакты.
Структура диффузионного резистора на основе структурных областей планарно-эпитаксиального транзистора на рис. 2.
Наиболее распространенны резисторы, сформированные на основе базовых слоев. При этом достигается сочетание высокого сопротивления слоя необходимого для уменьшения площади, занимаемой резистором и приемлемого температурного коэффициента.
Рис. 2
Для получения диффузионных резисторов
требуемого сопротивления, определяемого по формуле (1), диффузионные слои формируют в виде прямоугольника или змейки. В этом случае отношение l/b стремятся сделать по возможности большим. Для диффузионных резисторов характерно наличие паразитных элементов - распределенного конденсатора и распределенного транзистора.
Кроме диффузионных резисторов в полупроводниковых ИМС применяют резисторы на основе МДП-структуры. При этом в качестве резистора используют МДП-транзистор, работающий в режимах, наклонной области ВАХ. Использование МДП-структур в качестве резисторов позволяет реализовать целый ряд цифровых ИМС только на одних МДП-транзисторах.
3. Элемент КМОП - логики.
В цифровых ИМС практическое применение получили полевые транзисторы с оксидным диэлектриком, образующие контакт металл–оксид–полупроводник (КМОП). На рисунке 2 приведена принципиальная схема элемента ИЛИ–НЕ на два входа, содержащая один нагрузочный (VT3) и два логических (VT1 и VT2) транзистора.
U и.п.
VT3
F (Выход)
VT1
B (Вход 2)
А (Вход 1) VT2 А 1
В F=A+B
Рис. 3
Таблица 11
А В F
0 0 1
1 0 0
0 1 0
1 1 0
На рисунке 3 приведена схема логического элемента ИЛИ-НЕ. Она состоит из двух логических VT1, VT2 и одного нагрузочного VT3 транзисторов. Принцип работы (таб.1) заключается в следующем:
При подаче на оба логических транзистора (входы А и В) логического 0 они остаются закрытыми (IИС=0). Сопротивление перехода для Iи.п. велико, поэтому ток источника питания протекает через VT3 на выход схемы (контакт F) формируя уровень логической 1. При подаче хотя бы на один из входов логической 1 транзистор открывается, сопротивление перехода падает Iи.п. протекает на корпус тем самым на выходе схемы формируется уровень логического 0.
Элементы КМОП-логики нашли широкое применение в микросхемотехнике. На базе этих элементов строятся дешифраторы, триггеры, счетчики, регистры, сумматоры, умножители, элементы ПЗУ и т. д и т.п.
4. Принцип действия и устройство тетрода
Развитие техники радиоприема, связанное с необходимостью усиления напряжений высокой частоты, выявило один из основных недостатков триода. Было замечено, что усилители на триодах, предназначенные для этой цели, работают неустойчиво и не обеспечивают надежного усиления.
Исследования показали, что причиной этого является наличие значительной емкости между электродами лампы. Вопрос этот очень важен, поэтому на нем стоит остановиться подробнее.
Между любыми двумя проводниками, не соприкасающимися друг с другом, существует электрическая емкость.
Две металлические пластины, разделенные промежутком, образуют конденсатор. Конденсатор, включенный в электрическую цепь, создает непреодолимое препятствие для постоянного тока, но для переменного тока представляет лишь некоторое сопротивление. Чем больше емкость конденсатора и чем выше частота переменного тока, тем меньшее сопротивление представляет конденсатор его прохождению. Как мы уже видели, внутри лампы можно различить три такие емкости: между сеткой и катодом, между сеткой и анодом и между анодом и катодом. Анализ работы лампы показывает, что наиболее вредна емкость между анодом и сеткой, обозначаемая обычно СAC.
Вредное действие этой емкости можно понять, посмотрев на наши рисунки. Предположим, что лампа должна усиливать напряжение не звуковой, а высокой частоты. На сетку лампы поступают слабые электрические колебания Uвх. Усиленные колебания этой же частоты, но с напряжением Uвых выделяются на анодной нагрузке. Если между анодом лампы и ее сеткой есть емкость Оде, то через нее часть усиленного переменного напряжения будет передана из анодной цепи обратно в сеточную. Это напряжение добавится к основному сигналу, действующему в.цепи сетки. Напряжение сигнала на входе как бы возрастает, вследствие чего увеличивается и напряжение, выделяющееся на анодной нагрузке. Это в свою очередь приведет к передаче через емкость анод — сетка в сеточную цепь еще большего напряжения и т. д. В результате работа лампы становится неустойчивой, может возникнуть самовозбуждение и лампа из усилителя колебаний превратится в генератор, т. е. в самостоятельный источник
колебаний. Возникновение в усилителе самовозбуждения проявляется в виде сильных искажений и свиста.
Опасность неустойчивой работы усилителя будет тем больше, чем выше частота переменного тока (тем меньшее сопротивление представляет для него емкость) и чем больше усиление лампы. Это обстоятельство создало весьма серьезные затруднения
приему и усилению слабых сигналов высокой частоты и заставило искать способы борьбы с вредным влиянием емкости сетка — анод трехэлектродной лампы.
Физика знает способы уменьшения емкости между двумя проводниками. Такими способами, например, является уменьшение размеров проводников,. образующих конденсатор, и увеличение расстояния между ними. Эти способы применялись при конструировании триодов, но значительного эффекта они не дали, потому что чрезмерно уменьшать электроды по ряду соображений нельзя (например, уменьшение размеров анода приводит к необходимости снизить анодный токи, следовательно, все параметры лампы), а увеличению расстояний между электродами кладут предел размеры лампы и ряд других причин.
Наиболее удобным и легче всего осуществимым способом уменьшения емкости, оказалось экранирование.
Сущность этого способа можно пояснить 'следующим примером. Пусть имеется цепь из конденсатора, источника переменного напряжения и измерительного прибора. В такой цепи будет течь ток, величину которого отметит измерительный прибор.
Поместим теперь между пластинами конденсатора еще одну пластину и присоединим ее к нашей схеме в точке б. Когда это мы сделаем, то заметим, что стрелка прибора установилась на нуле: тока в цепи прибора не стало.
Объясняется это тем, что ток теперь потечет по другому, более короткому пути — через емкость между левой и средней пластинами и далее *по проводу а—б. Путь переменного тока
в обоих случаях показан стрелками. В правой части схемы, где находится измерительный прибор, тока не будет, она окажется как бы замкнутой накоротко проводом а—б. Это равносильно уничтожению емкости между пластинами конденсатора. Третья пластина явилась экраном, который свел емкость конденсатора к нулю. Важно то, что такой экран не должен быть обязательно сплошным. Его можно выполнить, например, в виде достаточно густой сетки—экранирующее действие при этом не изменится.
Подобный экран можно применить и в электронной лампе. Для этого достаточно ввести в нее вторую сетку—спираль, поместив ее между анодом и основной сеткой. Эту дополнительную сетку называют экранной или экранирующей, а основную— управляющей, так как ее напряжение управляет анодным током.
Введение экранирующей сетки приводит к резкому уменьшению емкости между анодом и управляющей сеткой, вследствие чего исключается опасность проникания усиленного напряжения из цепи анода обратно в цепь сетки и становится возможным получение устойчивого усиления колебаний высокой частоты.
Лампы, имеющие экранирующие сетки, называются экранированными или—по числу электродов—тетродами («тетра» по-гречески—четыре).
Экранирующая сетка должна быть конструктивно выполнена так, чтобы, уменьшая емкость между управляющей сеткой и анодом, она в то же время не создавала препятствий электронам в их движении к аноду. Это вполне осуществимо, так как расстояние между витками экранирующей сетки, конечно, не может идти ни в какое сравнение с размерами электрона.
Но действие экранирующей сетки не ограничивается уменьшением вредной, или, как ее часто называют, паразитной емкости между управляющей сеткой и анодом. Экранирующая сетка одновременно позволяет значительно улучшить параметры лампы и в первую очередь повысить ее коэффициент усиления.
Объясняется это тем, что на пути электронов к аноду появляется еще одна преграда — дополнительная сетка, значит, действие анода на электроны уменьшается, а чем меньше действие анода на электронный поток по сравнению с действием управляющей сетки, тем больше коэффициент усиления.
На это как будто бы можно возразить, что и у триода можно получить очень большой коэффициент усиления. Мы уже говори-
ли, что чем гуще управляющая сетка лампы, тем больше коэффициент усиления. Следовательно, надо делать сетку очень густой, тогда и коэффициент усиления будет очень большим.
На самом деле это не так. В действительности у триода почти невозможно сделать коэффициент усиления больше 100, и вот почему.
Коэффициент усиления ? показывает, во сколько раз напряжение на сетке действует на анодный ток сильнее, чем напряжение на аноде. Если ?=10, то это значит, что изменение напряжения на сетке на 1 в действует так же, как изменение на аноде на 106. Подав на анод этой лампы напряжение, например, 1506, мы создадим в ее анодной цепи некоторый ток. Поскольку 1 в на сетке лампы действует также, как 10 в на аноде, то очевидно, что, подав на сетку—15 в, мы совершенно прекратим анодный ток; отталкивающее по отношению к электронам действие сеточного напряжения уравновесит притягивающее действие анода.
Если бы коэффициент усиления лампы был больше, например равнялся 30, то анодный ток прекратился бы при напряжении на сетке—5 в, а при ?=100 для прекращения анодного тока потребовалось бы подать на сетку всего—1,5 в.
Для работы усилительной лампы используется, как мы видели, участок характеристики между нижним перегибом и точкой, соответствующей нулевому напряжению на сетке. В триоде с большим (и этот участок будет совсем мал: при ?=100 он окажется в лучшем случае немногим больше, чем 1 в. Значит, к сетке такой лампы нельзя подводить переменные напряжения с амплитудой больше чем 0,5 б, так как в противном случае колебания попадут в область сеточного тока и на перегиб характеристики, что приведет к искажениям. Это обстоятельство очень ограничивает возможности использования триодов с большим ?.
Каталось бы, что их удобнее всего применить для усиления высокой частоты, поскольку напряжение сигналов высокой частоты при радиоприеме всегда бывает очень мало. Но тут возникает препятствие в виде емкости анод— сетка, которая особенно сильно сказывается при усилении именно высоких частот, а при усилении низких частот, когда вредное действие емкости анод — сетка сказывается меньше, переменные напряжения обычно бывают довольно значительными.
Введение в лампу экранирующей сетки разрешает эту трудность.
Мы до сих пор говорили только о том, что экранирующая сетка находится между управляющей сеткой и анодом, но не касались вопроса о том, с чем же соединена эта сетка. Для того чтобы она выполняла только функции экрана, ее достаточно было бы соединить с катодом, т. е. с нулевой точкой схемы, относительно которой определяется напряжение всех остальных электродов. Но при этом, как и у триода с большим ц, можно использовать только очень малую часть характеристики лампы, что невыгодно.
Но можно присоединить экранирующую сетку иначе—подать на нее положительное напряжение. Картина при этом резко изменится. Анод, отделенный от катода двумя сетками, сам по себе будет оказывать слабое притягивающее действие на электроны. Но экранирующая сетка будет помогать ему в этом. При положительном напряжении на экранирующей сетке электроны получат дополнительное ускорение и устремятся к экранирующей сетке. Напряжение на ней Uэ можно сделать меньше, чем на аноде Uа. Тогда электроны, приблизившись к экранирующей сетке и приобретя при этом достаточную скорость, испытают сильное притяжение анода и полетят к нему. Небольшое количество электронов окажется при этом притянутым экранирующей сеткой и образует в ее цепи некоторый ток. '
Таким образом, экранирующая сетка способствует увеличению анодного тока. Если осуществление в триодах большого коэффициента усиления приводит к резкому уменьшению возможного для использования участка характеристики, то экранирующая сетка, способствуя, с одной стороны, увеличению коэффициента усиления, увеличивает в то же время анодный ток и этим как бы сдвигает всю характеристику лампы влево, позволяя использовать для усиления ее больший участок.
Благодаря этому тетроды могут иметь очень большой коэффициент усиления, доходящий до 500—600, т. е. во много раз больше, чем у триодов. Поэтому от усилительного каскада с тетродом можно получить значительно большее усиление, чем от каскада с триодом.
На экранирующую сетку обычно подается напряжение, примерно вдвое меньшее анодного. Эта сетка играет вспомогательную роль, и ток в ее цепи не используется.
Тетроды такого типа в основном применялись для усиления высокой частоты. Большой коэффициент усиления и малая величина емкости управляющая сетка—анод позволяют очень эффективно использовать их для этой цели.
Экранированные лампы явились значительным шагом вперед по сравнению с трехэлектродными. У нас раньше выпускались тетроды СО-124. СБ-154 и др. Однако практика использования тетродов выявила крупный недостаток, препятствовавший расширению их применения.
Мы отмечали, что экранирующая сетка, находящаяся под достаточно большим положительным напряжением (обычно порядка 50—70 в), сообщает электронам, образующим анодный ток, дополнительную скорость. Электроны, летящие с очень большой скоростью, с такой силой ударяются о поверхность анода, что выбивают из атомов металла анода другие электроны. Один электрон, имеющий достаточно большую скорость, может выбить из анода несколько электронов. Ударяющийся об анод электрон принято называть первичным, а выбитые им электроны — вторичными.
Каким же образом появление вторичных электронов может отозваться на работе лампы?
Выбитые из анода вторичные электроны имеют неодинаковые скорости. Электроны, получившие небольшую скорость, под влиянием притяжения положительно заряженного анода быстро теряют ее и падают обратно на анод. Такие электроны не удаляются на большое расстояние от анода, и их появление не сказывается на работе лампы.
Но какая-то часть вторичных электронов получает в результате удара большую скорость, дающую им возможность достаточно удалиться от анода и приблизиться к экранирующей сетке настолько, что ее притяжение превысит притяжение анода, В итоге эти электроны будут притянуты экранирующей сеткой.
В результате в лампе образуются два тока: один — нормальный анодный ток, образованный электронами, вылетевшими из катода, и второй—образованный вторичными электронами, выбитыми из анода, и имеющий противоположное направление. Этот ток обратного направления иногда называют динатронным током, поскольку явление выбивания из анода вторичных электронов известно под названием динатронного эффекта.
Динатронный ток, как имеющий обратное направление по отношению к анодному току, вычитается из него. Динатронный эффект приводит к уменьшению анодного тока лампы. Так как каждый первичный электрон может при известных условиях выбить несколько вторичных,' то при некоторых соотношениях напряжений на аноде лампы и ее экранирующей и управляющей сетках динатронный ток может сравняться по величине с «прямым» анодным током и даже превысить его. У лампы, работающей в таком режиме, уменьшение отрицательного напряжения на управляющей сетке будет сопровождаться не увеличением анодного тока, а его уменьшением (из-за возникновения дина-тронного эффекта). В результате возникнут сильные искажения и может начаться самовозбуждение каскада, т. е. превращение усилительного каскада в генераторный.
Способ устранения неприятных последствий динатронного эффекта очевиден: надо не допускать вторичные электроны принижаться к экранирующей сетке. Осуществить это можно введением в лампу еще одной—третьей по счету сетки.
Третья сетка располагается между анодом и экранирующей сеткой и соединяется с катодом. Поскольку отрицательный полюс источника напряжения соединен с катодом, то третья сетка оказывается заряженной отрицательно относительно анода. Поэтому выбитые из анода вторичные электроны будут отталкиваться этой сеткой обратно к аноду. В то же время, будучи достаточно редкой, эта сетка не препятствует лететь к аноду электронам основного анодного тока.
Эта третья сетка защищает лампу от возникновения дина-тронного эффекта и поэтому называется защитной или противодинатронной. Иногда ее называют пентодной сеткой.
1 Логический 0 соответствует 0 вольт, логическая 1 соответствует Uи.п.