close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2013.Технология материалов электронной техники учеб.-метод. пособие для самост. работы студентам спец

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы
Электронное издание
Красноярск
СФУ
2012
УДК 621.315/.318(07)
ББК 31.23я73
Т384
Составители: В.В. Леонов, Ю.Е.Спектор, Р.Г. Еромасов.
Т384 Технология материалов электронной техники: учеб.-метод. пособие для
самостоятельной работы [Электронный ресурс] / сост. В.В. Леонов, Ю.Е.
Спектор, Р.Г. Еромасов. – Электрон. дан. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т,
2012. – Систем. требования: PC не ниже класса Pentium I; 128 Mb RAM;
Windows 98/XP/7; Adobe Reader V8.0 и выше. – Загл. с экрана.
В учебно-методическом пособии приведены структура самостоятельной
работы, рекомендации по самостоятельному изучению основных разделов
дисциплины, выполнению расчетов полупроводниковых транзисторных структур,
подготовке к практическим и лабораторным занятиям.
Предназначено для студентов специальности 150108 «Порошковая
металлургия, композиционные материалы, покрытия».
УДК 621.315/.318(07)
ББК 31.23я73
© Сибирский
федеральный
университет, 2012
Учебное издание
Подготовлено к публикации редакционно-издательским
отделом БИК СФУ
Подписано в свет 03.05.2012 г. Заказ 7428.
Тиражируется на машиночитаемых носителях.
Редакционно-издательский отдел
Библиотечно-издательского комплекса
Сибирского федерального университета
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79
Тел/факс (391)206-21-49. E-mail rio@sfu-kras.ru
http://rio.sfu-kras.ru
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ
2.1. Методические указания к выполнению расчетных заданий
2.2. Методические указания к самостоятельному
изучению теоретического материала
2.3. Методические указания по подготовке к выполнению
и защите лабораторных работ
2.4. Подготовка к итоговому и промежуточному контролю
2.5. Литература и информационные источники
3
4
7
7
20
23
26
27
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
Самостоятельная работа студентов (СРС) – это один из видов учебной
работы, обеспечивающей подготовку инженеров
в соответствии с
Государственным образовательным стандартом (ГОС), а также пожеланиями и
рекомендациями заинтересованных сторон.
СРС выполняется студентами самостоятельно, за пределами учебного
времени аудиторных занятий, но в пределах общего времени, отведенного ГОС
на освоение дисциплины.
Цель СРС заключается в глубоком, полном усвоении учебного материала
и в развитии навыков самообразования. В целом, разумное сочетание
самостоятельной работы с иными видами учебной деятельности позволяет
реализовать три основные компонента университетского образования:
- познавательный, который заключается в усвоении студентами
необходимой суммы знаний по избранной специальности, а также способности
самостоятельно их пополнять;
- развивающий, то есть выработка навыков аналитического и логического
мышления, способности профессионально оценить ситуацию и найти
правильное решение;
- воспитательный - формирование профессионального правового
сознания, мировоззренческих установок, связанных не только с выбранной ими
специальностью, но и с общим уровнем развития личности.
Самостоятельная
работа
студентов
способ
активного,
целенаправленного приобретения студентом новых для него знаний и умений
без
непосредственного
участия
в
этом
процессе
преподавателей.Организационные мероприятия, обеспечивающие нормальное
функционирование самостоятельной работы студента, должны основываться на
следующих предпосылках:
- самостоятельная работа должна быть конкретной по своей предметной
направленности;
- самостоятельная работа должна сопровождаться эффективным,
непрерывным контролем и оценкой ее результатов.
Мероприятия, создающие предпосылки и условия для реализации
самостоятельной работы, должны предусматривать обеспечение каждого
студента:
- индивидуальным рабочим методом при выполнении теоретических
(расчетных, графических и т.п.) и практических (лабораторных, учебноисследовательских и др.) работ;
- информационными ресурсами (справочники, учебные пособия, банки
индивидуальных заданий, обучающие программы, пакеты прикладных
программ и т.д.);
- методическими материалами (указания, руководства, практикумы и
т.п.);
4
- контролирующими материалами (тесты);
- материальными ресурсами (ПЭВМ, измерительное и технологическое
оборудование и др.);
- временными ресурсами;
- консультациями (преподаватели, сотрудники НИИ, лабораторий и т.д.);
- возможностью выбора индивидуальной образовательной траектории
(элективные учебные дисциплины, дополнительные образовательные услуги,
индивидуальные планы подготовки);
- возможностью публичного обсуждения теоретических и/или
практических
результатов,
полученных
студентом
самостоятельно
(конференции, олимпиады, конкурсы).
В зависимости от места и времени проведения СРС, характера
руководства ею со стороны преподавателя и способа контроля за ее
результатами подразделяется на следующие виды:
– самостоятельную работу во время основных аудиторных занятий
(лекций, практических занятий);
– самостоятельную работу под контролем преподавателя в форме
плановых консультаций, творческих контактов, зачетов и экзаменов;
– внеаудиторную самостоятельную работу при выполнении студентом
домашних заданий учебного и творческого характера.
Самостоятельная работа студентов по дисциплине «Технология
материалов электронной техники» организуется в соответствии с
используемыми в учебном процессе формами учебных занятий и проводится в
свободное от учебной нагрузки время.
Самостоятельная
работа
студентов
включает
следующие
мероприятия:
1.Работа над материалом, полученным в процессе освоения курса
(теоретическим и практическим материалом, изучаемым на аудиторных
занятиях) и материалом, вынесенным на самостоятельное изучение.
2.Подготовка к практическим занятиям
3.Выполнение расчетных работ
4.Подготовка отчетов по расчетным работам.
5.Подготовка к мероприятиям текущего контроля знаний (тестированию).
6. Подготовка к мероприятию итогового контроля (зачет).
Распределение видов и трудозатрат по самостоятельной работе по курсу
представлено в таблице 1.
5
Таблица 1
Распределение видов самостоятельной работы по курсу в часах
Самостоятельная работа, всего, в том числе:
Изучение теоретического курса
Подготовка к выполнению и защите практических работ
Подготовка к выполнению и защите лабораторных работ
Подготовка к промежуточному и итоговому контролю
114
60
18
18
18
В дисциплине «Технология материалов электронной техники»
предусматриваются следующие виды самостоятельной работы студентов:
1.Изучение теоретического материала по материалам лекции 4, 5, 6, 7, 9,
12, 14, 15, 16, 22, 24, 26. (60 ч.).
2.Подготовка к выполнению расчетных заданий по разделам 1,4 в
соответствии с темами практических занятий, подготовка к защите (18ч).
3.Подготовка к выполнению лабораторных работ по разделам 2, 4 в
соответствии с темами лабораторных работ, подготовка к защите (18ч).
4. Подготовка к мероприятиям промежуточного и итогового контроля
(экзамен) (18 ч).
Задания на выполнение самостоятельной работы студентами выдается
преподавателями, ведущими занятия по каждому из видов деятельности. При
выполнении самостоятельной работы студенты пользуются электронными
пособиями (электронные учебные пособия по дисциплинам «Технология
материалов электронной техники», «Проектирование и оборудование цехов
полупроводникового производства», «Физико-химические основы получения
полупроводников», учебно-методическими (руководства по выполнению
практических занятий, руководство по самостоятельной работе) пособиями и
справочными материалами, указанными в перечне основной и дополнительной
литературы. В процессе самостоятельной работы студентам представляется
возможность пройти обучение и выполнить расчеты по предусмотренным в
курсе разделам с помощью разработанных по дисциплине обучающих
программ и тренажеров, представленных в таблице 2.
Таблица 2
Обучающие программы и тренажеры для курса
Наименование обучающей программы или
Среда программирования
тренажера
Обучающая программа «Химические
реакторы: типы, применение расчет»
Windous, Delphi
(авторская учебно-методическая разработка)
Обучающая программа «Расчеты
материальных балансов»
Windous, Delphi
(авторская учебно-методическая разработка)
Обучающая программа «Станки для
Windous, Microsoft Power
механической обработки слитков»
Point
(авторская учебно-методическая разработка)
6
Объем, МБт
4 Мбайт
9 Мбайт
0,75 Мбайт
2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ
РАБОТЕ
2.1. Методические указания к выполнению
расчетных заданий
Общие сведения по структуре, объему и порядку выполнения расчетных
работ
Целью выполнения расчетных работ является ознакомление с
методиками расчетов получения полупроводниковых материалов и приборов,
выполнение расчетных работ в соответствии с вариантом.
В соответствии с учебной программой предусмотрено выполнение 7
расчетных работ:
Таблица 3
№
п/п
1
2
№ раздела
дисциплины
Раздел 1
Раздел 4
Наименование практических занятий, объем (ч)
Расчет глубины вплавления металла в полупроводник. (3 часа)
Расчет характеристик транзисторных структур. (14 часов)
Студентам в первую неделю обучения по курсу в соответствии с
вариантом выдаются преподавателем курса задания на выполнение расчетных
работ. Задания и методические указания по их выполнению представлены в
соответствующих методических указаниях.
Сдача и защита расчетных работ осуществляется преподавателю
дисциплины в течение семестра в соответствии с утвержденным графиком
защит.
Подготовка к практическим занятиям
Объем СРС на подготовку к выполнению и защите практической работы
- 18ч.
Последовательность процесса подготовки:
1) Используя рекомендованную литературу и электронные ресурсы
изучить теоретический материал по теме практической работы.
2) Выполнить расчетную работу в соответствии с многовариантным
заданием.
3) Используя электронные ресурсы и результаты расчета подготовить
отчет по практической работе. В отчете по практической работе привести:
– цель работы:
– краткие теоретические сведения по методике расчета;
– полученные результаты расчета;
7
–выводы
по
результатам
расчета,
сопровождающиеся
(при
необходимости) иллюстрационным материалом (графики, зависимости, схемы).
4) Используя контрольные вопросы провести самооценку знаний по теме
практической работы. Выяснить: на какие из представленных вопросов вы не
можете ответить?
5) Повторить теоретический материал и заново ответить на вопросы.
Пример выполнения задания по расчету фазового состава стеатитовой и
форстеритовой массы приведен ниже. Расчетные задания сопровождаются
общими сведениями по объекту расчета, примером расчета, многовариантными
заданиями, контрольными вопросами, рекомендуемой литературой для
изучения и выполнения расчетной работы.
Пример
Расчет характеристик транзисторных структур
Диффузия проходит в две стадии:
1. процесс загонки примеси, когда вводится строго заданное количество
примеси в приповерхностном слое.
2. разгонка примеси, когда она распределяется на нужную глубину.
Обе стадии проводятся в диффузионных печах. Необходимая температура
1600 К и необходимо, чтобы печь держала температуру с точностью +/- 1К.
Температура плавления кремния 1480 0С ( германия – 980 0С). Для
получения кремния n- или p- типа применяют фосфор или бор. Эти элементы
имеют высокий коэффициент диффузии. Загонка осуществляется при 10001400 К, а разгонка при 1300-1600 К в атмосфере осушенного кислорода.
Необходимыми условиями диффузии являются:
9
градиент концентраций
9
градиент температур
9
дефектность решетки
Принцип действия биполярного транзистора
Основные носители заряда в базе это дырки, которые образуют ток
эмиттера.
На коллекторный переход подается относительно большое (в несколько
вольт) обратное напряжение. В результате ОПЗ коллектора расширяется и не
пропускает через себя о.н.з. – р - базы и е – коллектора.
На эмиттерный переход подается небольшое (доли вольт) прямое
напряжение, которое уменьшает ОПЗ. Электроны эмиттера «Э» преодолевают
небольшой потенциальный барьер и попадают в «Б», где перемещаются под
действием градиента концентраций. Достигая коллекторный переход, они
захватываются ОПЗ «К» и устремляются в «К».
8
Изменяя напряжение на «Б» можно изменять ОПЗ «Э» и управлять
потоком эмитируемых электронов , а значит и током Iк.
Входной ток «Б» обусловлен рекомбинацией части электронов «Э»,
проходит через базу «Б» с дырками, и зависит от перетекания дырок из «Б» в
«Э».
Iб = Iрекомб. + Iэр
Коэффициент передачи Iб тока «Б» β это отношение Iк к I б, не зависит от
входного сигнала т.к. при увеличении тока Iб, растет Iк β = Iк/Iб
т.е. β это коэффициент усиления входного сигнала по току.
Для обеспечения большего усиления транзистора стремятся до минимума
снизить интенсивность процессов, вызывающих входной базовый ток Iб. Для
этой ели при конструировании и изготовлении транзистора необходимо
соблюдать ряд правил:
1. Степень легирования эмиттера должна превышать степень легирования
базы. Это обеспечит высокую концентрацию дырок в базе, то есть до минимума
сокращают дырочную составляющую Iэр и приближают к единице
коэффициент инжекции: γ = Iэn / Iэ = Iэn / Iэn + Iэр → 1.
2. Степень легирования базы должна быть минимальна, что приводит к
уменьшению концентрации дырок в базе и увеличивает подвижность
электронов диффундирующих через базу. Ширину базы стремятся сделать
поменьше, чтобы сократить время нахождения в ней электронов. Кроме этого
стремятся, как можно более тщательно очищать исходный полупроводник от
рекомбинационных примесей. В основном золото, которое стимулирует
процесс рекомбинации электронов, дырок существенно увеличивает
вероятность их встречи. Все это снижает вероятность рекомбинации
электронов в базе и приближает к единице коэффициент переноса: æ = Iк /Iэn
→ 1.
Близость к единице γ и æ обеспечивает значение коэффициента передачи
тока эмиттера близкое к единице: α = Iк / Iэ = γ * æ → 1 В реальных
транзисторах коэффициент передачи тока составляет 0,95 ÷ 0,995, что
соответствует коэффициенту передачи тока базы: β = α / 1 – α = 20 ÷ 200
Для расчета работы транзисторной структуры определяют параметры
распределения легирующей примеси по глубине материала, рассчитывается
глубина залегания р-n перехода. Для эмиттера, базы и коллектора определяются
характеристики о.н.з. и н.н.з, а по ним рассчитываются выходные
характеристики прибора. Кроме того, проводится расчет допусков на
технологические параметры.
Расчет основных характеристик транзистора
Начальная концентрация примеси, NAu
Начальная концентрация донора (Р), Nдн
9
2*1021м-3
2*1022м-3
Температура загонки акцептора, Т1
Время загонки акцептора, t1
Температура разгонки акцептора, Т2
Время разгонки акцептора, t2
Температура загонки донора, Т3
Время загонки донора, t3
Температура разгонки донора, Т4
Время разгонки донора, t4
Номинальное напряжение, Uн
1200 K
3ч
1320 К
2ч
1320 К
6ч
1300 К
4ч
5В
1. Интенсивность диффузионного процесса определяется коэффициентом
диффузии:
⎛ ΔE ⎞
D = D 0 * exp⎜ −
⎟,
⎝
-23
kT ⎠
где k = 1,38*10 Дж/К
для акцептора: ∆Е = 5,7*10-19Дж; D0 = 7*10-4м2/с
для донора ∆Е = 5,9*10-19Дж; D0 = 10,5*10-4м2/с
Рассчитываем коэффициент диффузии акцептора для всех четырех
стадий,
поскольку
он
диффундирует
и
при
загонке
донора.
⎛
⎞
5,7 * 10 −19 Дж
⎟⎟ = 7,88 * 10 −19 м 2 / с
DA1 = 7 * 10 − 4 м 2 / с * exp⎜⎜ −
− 23
⎝ 1,38 * 10 Дж / К * 1200 К ⎠
⎛
⎞
5,7 * 10 −19 Дж
⎟⎟ = 1,801 * 10 −17 м 2 / с
DA2 = 7 * 10 − 4 м 2 / с * exp⎜⎜ −
− 23
⎝ 1,38 * 10 Дж / К * 1320 К ⎠
DA3
⎛
⎞
5,7 * 10 −19 Дж
⎜
⎟⎟ = 1,801 * 10 −17 м 2 / с
= 7 * 10 м / с * exp⎜ −
− 23
⎝ 1,38 * 10 Дж / К * 1320 К ⎠
DA4
⎛
⎞
5,7 * 10 −19 Дж
⎟⎟ = 1,112 * 10 −17 м 2 / с
= 7 * 10 м / с * exp⎜⎜ −
− 23
⎝ 1,38 * 10 Дж / К * 1300К ⎠
−4
−4
2
2
Диффузия донора идет на 3 и 4 стадиях, коэффициент диффузии
акцептора не учитываем.
⎛
⎞
5,9 * 10 −19 Дж
−4
2
⎟⎟ = 9,011 * 10 −18 м 2 / с
D D 3 = 10,5 * 10 м / с * exp⎜⎜ −
− 23
⎝ 1,38 * 10 Дж / К * 1320 К ⎠
DD 4
⎛
⎞
5,9 * 10 −19 Дж
⎟⎟ = 5,47 * 10 −18 м 2 / с
= 10,5 * 10 м / с * exp⎜⎜ −
− 23
⎝ 1,38 * 10 Дж / К * 1300 К ⎠
−4
2
10
Доза внедрения примеси в процессе загонки определяется
коэффициентом диффузии, длительностью процесса загонки и пределом
растворимости примеси в кремнии Nmax (для бора и фосфора Nmax = 1025 м-3):
D*t
π
Q = 2 N max
Q А = 2 *10 м
25
−3
Q D = 2 * 10 25 м −3
7,88 *10 −19 м 2 / с * 3ч * 3600
= 1,04 *1018 м −2 ,
3,14
9,011 * 10 −18 м 2 / с * 6ч * 3600
= 4,97 * 1018 м − 2 .
3,14
Так как диффузия примеси идет в несколько этапов, необходимо
рассчитать эффективные параметры диффузии:
(D t )эф = ∑ (Di * t i )
(Dt)эфА=6,87*10-13м2
(Dt)эфD=2,73*10-13м2
Зная дозу внедрения примеси и эффективные параметры диффузии, для
каждой примеси рассчитывают поверхностную концентрацию:
N=
Q
π * (Dt )эф
N 0 А = 7,08 *10 23 м −3
N 0 D = 5,37 * 10 24 м −3
2 Построение графиков распределения примеси и расчет глубины
переходов
Процесс 2-х стадийной диффузии описывается следующим образом
2
⎛
⎞
x
⎟,
N ( x) = N 0 * exp⎜ −
⎜ 4 * (D ) ⎟
t эф ⎠
⎝
где х - глубина соответствующего слоя.
Подставляя в эту формулу последовательно значение глубины х=1,2,3
мкм и параметры N0D, (Dt)эфD, N0A, (Dt)эфA построим соответствующие графики
11
для донорной и акцепторной примесей. На рисунке 1 проведем горизонтальную
прямую соответствующую начальной концентрации донорной примеси. Где
выше концентрация донорной примеси образуется область n-типа
проводимости, а где больше акцепторной примеси образуется область р-типа
проводимости. Точки пересечения графиков р- и n-типа соответствуют р-nпереходам. Таким образом сформирована транзисторная структура,
содержащая эмиттерные, базовые и коллекторные слои.
N (1) А = 4,92 *10 23
N (2) А = 1,65 * 10 23
N (3) А = 2,68 * 10 22
N (4) А = 2,11 *10 21
N (5) А = 7,98 *1019
N (6) А = 1,46 * 10 18
N (1) D = 2,15 * 10 24
N (2) D = 1,38 *10 23
N (3) D = 1,43 *10 21
N (4) D = 2,38 *1018
N (5) D = 6,37 *1014
N (6) D = 27393326438
Расределение концентрации примеси
2,50E+24
2,00E+24
N
1,50E+24
1,00E+24
5,00E+23
0,00E+00
0,00E+ 1,00E- 2,00E- 3,00E- 4,00E- 5,00E- 6,00E- 7,00E-5,00E+23
00
06
06
06
06
06
06
06
х, м
N(x)A
N(x)D
Nдн
Рис. 1. График распределения примесей.
12
Из условия равенства концентрации донорной и акцепторной примесей
на глубине эмиттерного перехода Хэ получаем уравнение:
⎛
⎞
⎛
⎞
Хэ2
Хэ2
⎟ = N * exp⎜ −
⎟
N 0D * exp⎜ −
0A
⎜ 4 * (D t ) эфD ⎟
⎜ 4 * (D t ) эфA ⎟
⎝
⎠
⎝
⎠
Xэ =
⎛ N 0D ⎞
⎟
4 * ln⎜⎜
⎟
N
⎝ 0A ⎠
1
1
−
(D t )эфD (D t )эфA
X э = 1,93 *10 −6 м = 1,93 мкм
Из условия равенства концентраций акцепторной и донорной примесей
на глубине коллекторного перехода Хк получаем уравнение:
⎛
⎞
Xк 2
⎟=N
N 0A * exp⎜ −
Дн
⎜ 4 * (D t ) эфА ⎟
⎝
⎠
⎛N
Х к = 4 * ( D t ) эфА * ln⎜ 0A
⎜ N Дн
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
Х к = 3,15 * 10 −6 м = 3,15 мкм
Проверим рассчитанные значения Хэ, Хк по графику. Значение Хэ должно
соответствовать точке пересечения ND и NA, а значение Хк точке пересечения
NA и NДн.
Технологическая ширина базы определяется:
ωБт= Хк-Хэ
ωБт=1,22мкм= 1,22*10-6м
Средняя глубина базы определяется:
Хб =
Хк −Х э
2
Х б = 2,54 * 10 −6 = 2,54 мкм
13
3. Расчет равновесных концентраций основных носителей заряда
Равновесная концентрация основных носителей заряда (о.н.з.) в
легированных полупроводниках определяется разностью концентраций
донорной и акцепторной примесей:
Nонз=⏐ND+NДн-NA⏐
На рисунке показан пример распределения концентрации основных
носителей заряда. Для расчета средней концентрации основных носителей
заряда транзисторной структуры, заменим истинный график ломаной линией,
тогда средняя концентрация электронов в эмиттере:
N nэ =
N онз ( 0)
2
=
N 0 D + N Дн − N 0 A
2
Средняя концентрация электронов в коллекторе:
N nк = N Дн = 2 *10 22 м −3
Средняя концентрация дырок в базе:
N рб =
N онз ( Х б )
2
NA(0) = N0A= 7,09*1023м-3;
ND(0) = N0D= 5,37*1024м-3
N nэ = 2,34 * 10 24 м −3
( X б )2
N ( X б ) = N 0 * exp(−
)
4 * ( Dt ) эф
N А ( X б ) = 6,97 * 10 22 м −3
N D ( X б ) = 1,57 * 10 22 м −3
N рб = 1,67 *10 22 м −3
4. Расчет ширины базы работающего транзистора
Во время работы транзистора эффективная ширина базы значительно
уменьшается. Это происходит за счет приложения к коллекторному переходу
14
обратного напряжения и образования области пространственного заряда (ОПЗ).
Градиент концентрации ОПЗ в точке коллекторного перехода определяется:
⎛ ∂N онз ⎞ N онз ( Х б )
⎟≈
⎝ ∂х ⎠ ( Х к − Х б )
αк = ⎜
α к = 5,58 *10 28 м −4
Контактная разность потенциалов коллекторного перехода определяется:
⎡
⎤
αк2
ϕ кк = ϕ т ⎢1,61* lg(3 * ε * ε 0 * ϕ т
)
+
0
,
8
⎥,
3
(
*
)
q
n
i
⎣
⎦
где
ϕт - тепловой потенциал, ϕт =kT/q=2,55*10-2
ε - диэлектрическая проницаемость кремния 11,7
ε0 – диэлектрическая постоянная 8,85*10-12 Ф/м
q – заряд электрона 1,61*10-19 Кл
ni – концентрация собственных носителей заряда в кремнии 1,4*1016м-3
ϕ кк = 0,707 В
Ширина области пространственного заряда
перехода равна:
δк = 3
в зоне коллекторного
12 * ε * ε 0 * (ϕкк + U н )
q * αк
δ к = 9,26 * 10 −7 м
Предполагаем, что ОПЗ делится точкой Хк пополам, находим ширину базы:
ω б = ω бт −
δк
2
ω б = 7,59 * 10 −7 м = 0,76 мкм
5. Расчет характеристик неравновесных носителей заряда
Основной характеристикой носителей заряда является подвижность μ,
которая зависит от совершенства кристаллической решетки, определяется
суммарной концентрацией примеси:
15
N∑=NА+ND+NДн
Средняя суммарная концентрация примеси в эмиттере и базе:
N∑э =
N ∑ (0) + N ∑ ( Х Э )
2
N ∑ (0) = N 0 D + N Дн + N 0 A = 6,10 *10 24 м −3
N ∑ ( Х э ) = N А( Х э ) + N D ( X э ) + N Дн
( Х э )2
N ( Х э ) = N 0 * exp(−
)
4 * ( Dt ) эф
N А ( Х э ) = N D ( X э ) = 1,86 * 10 23 м −3
N ∑ ( Х э ) = 3,92 * 10 23 м −3
N ∑ э = 3,25 * 10 24 м −3
N ∑ б = N ∑ ( X б ) = 1,06 * 10 23 м −3
В соответствии с эмпирическими формулами подвижность рассчитывается:
μ рэ = 48 *10 +
447 *10 −4
−4
⎛ N∑э ⎞
⎟
1 + ⎜⎜
22 ⎟
6
,
3
*
10
⎝
⎠
0 , 76
μ рэ = 6,93 * 10 −3 м 2 / В * с
μ nб = 65 * 10 +
1265 * 10 −4
−4
⎛ N∑б ⎞
⎟
1 + ⎜⎜
22 ⎟
8
,
5
*
10
⎠
⎝
0 , 72
μ nб = 6,48 * 10 −2 м 2 / В * с
Зная подвижность, можно рассчитать коэффициенты диффузии:
⎛ kT ⎞
⎟⎟ μ
Dннз = ⎜⎜
q
⎝
⎠
16
D рэ = 1,78 *10 −4 м 2 / с
Dnб = 1,67 * 10 −3 м 2 / с
Тепловая скорость электронов и дырок υт при температуре 300К 105 м/с,
сечение захвата электрона σn=6,3*10-19м2, σр=11,6*10-19м2. По этим данным
можно рассчитать среднее время жизни неравновесных носителей заряда, где
Nрек = NAu= 2*1021м-3.
τ =
N
рек
1
*σ *υ т
τ рэ = 4,34 * 10 −9 с
τ nб = 7,93 *10 −9 с
Средняя диффузионная длина неравновесных носителей заряда:
L =
D *τ
L рэ = 8,8 * 10 −7 м
Lnб = 3,63 *10 −6 м
Ширина базы 0,9 мкм, т.е. ннз из эмиттера при необходимости, что видно из
диффузионной длины перескакивают базу.
6. Расчет коэффициентов транзистора
6.1
Коэффициент инжекции:
−1
⎛ D рэ + N рб + Lnб ⎡ ω б ⎤ ⎞
γ = ⎜1 +
th ⎢
⎥ ⎟⎟ , где
⎜
L
nб + N nэ + Lрэ
D
⎣ nб ⎦ ⎠
⎝
e x − e− x
th = x − x
e +e
γ = 0,9993433
6.2
Коэффициент переноса:
⎛⎛ ⎛ ω
χ = ⎜ ⎜⎜ ch⎜⎜ б
⎜ ⎝ Lnб
⎝⎝
−1
⎞ ⎞ ⎞⎟
⎟⎟ ⎟ , где
⎟
⎠ ⎠ ⎟⎠
χ = 0,9786330
17
e x + e− x
ch =
2
6.3
Коэффициент передачи тока эмиттера:
α=γ*χ
α=0,9779904
6.4
Коэффициент передачи тока базы:
β =
α
1 − α
β = 44 , 4346190
7. РАСЧЕТ ДОПУСКОВ НА РЕЖИМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ХАРАКТЕРИСТИКИ
ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА
β=20-200
β=ƒ(Т1, Т2, Т3, Т4)
β=ƒ(t1, t2, t3, t4)
β=ƒ(NДН, NА, NAu)
ΔT=5-20K
t=0,2-0,5ч
N=0,2N
Ri=5-20
[ΔRi] =
Ri ⋅ [Δβ]
10 ⋅ Δβ
18
Таблица 4
Допуски на режим технологического процесса и характеристики исходного материала
Варьируемый
параметр
Исходный
∆Т1=5
∆Т2=5
∆Т3=5
∆Т4=5
∆t1=0,5
∆t2=0,5
∆t3=0,5
∆t4=0,5
∆N дн=2E+21
∆N
Au=2E+22
Технологические параметры
Т1
К
1200
1205
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
1200
Т2
К
1320
1320
1325
1320
1320
1320
1320
1320
1320
1320
Т3
К
1320
1320
1320
1325
1320
1320
1320
1320
1320
1320
Т4
К
1300
1300
1300
1300
1305
1300
1300
1300
1300
1300
t1
ч
3
3
3
3
3
3,5
3
3
3
3
t2
ч
2
2
2
2
2
2
2,55
2
2
2
1200
1320
1320
1300
3
2
Характеристики
Параметр
Допуски
материалов
t3 t4
N дн
N Au
βi
∆βi
[∆Ri]
[∆Ri]/Ri
Ri
ч
ч
м^-3
м^-3
%
6
4 2,00E+22 2,00E+21 3,942849
0
6
4 2,00E+22 2,00E+21 3,848237 3,8482369
3,65140 0,73028
5
6
4 2,00E+22 2,00E+21 3,8826610 3,882661
3,61903 0,72381
5
6
4 2,00E+22 2,00E+21 3,618981 3,6189808
3,88271 0,77654
5
6
4 2,00E+22 2,00E+21 3,495841 3,4958408
4,01948 0,80390
5
6
4 2,00E+22 2,00E+21 3,839683 3,8396825
0,36595 0,73191
0,5
6
4 2,00E+22 2,00E+21 3,900813 3,9008127
0,36022 0,72044
0,5
6,5 4 2,00E+22 2,00E+21 3,853622 3,8536215
0,36463 0,72926
0,5
6 4,5 2,00E+22 2,00E+21 3,689771 3,6897714
0,38082 0,76164
0,5
6
4 2,40E+22 2,00E+21 2,478148 2,4781483 4,53612E+21 1,13403 4,00E+21
6
4
2,00E+22 2,40E+21 3,2588430
19
3,258843 5,17415E+20
0,86236 6,00E+20
Анализ полученных результатов позволяет сделать выводы:
1. Коэффициент передачи тока базы ограничен главным образом
рекомбинацией электронов в базе транзистора: β = 44,4346190
2. Дырочная составляющая эмиттерного тока вносит незначительный
вклад в потери коэффициента передачи тока базы.
3. Высокая эффективность эмиттера обеспечивается тем, что степень
легирования эмиттера значительно превышает степень легирования базы.
4. Достаточно высокая эффективность рекомбинационных процессов в
базе обусловлена тем, что диффузионная длина электронов незначительно
превышает ширину базы.
5. Наиболее эффективным путем повышения коэффициента передачи
тока базы является снижение ширины базы.
Рекомендуемая литература для выполнения практического занятия
1. Маслов, А.А. Технология и конструкция полупроводниковых
приборов. - М.: Энергия, 1970.-296 с.
2. Брук, В.А., Гаршенин, В.В., Курносов, А.И. Производство
полупроводниковых приборов. - М.: Профтехиздат, 1963.-296 с.
3. Курносов, А.И., Юдин, В.В. Технология производства
полупроводниковых приборов. - Л.:Судостроение, 1965.-248 с.
4. Горелик, С.С., Дашевский, М.Я. Материаловедение полупроводников
и диэлектриков. - М.: Металлургия, 1988.-574 с.
5. Федотов, Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. М.:
Советское радио, 1969. 592 с.
6. Степанко, И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. –
Л.: Госэнергоиздат, 1963.-376 с.
7. Гранитов, Г.И. Физика полупроводников и полупроводниковые
приборы. М.: Высшая школа, 1973. – 398 с.
8. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. -300 с.
9. Степаненко, И.П.. Основы микроэлектроники. – Москва-СПб:
Лаборатория базовых знаний Невский Диалект, 2001. -488 с.
2.2. Методические указания к самостоятельному
изучению теоретического материала
Самостоятельное изучение теоретического материала осуществляется в
форме самостоятельного освоения разделов курса в соответствии с
представленным в таблице списком по разделам курса. Объем
самостоятельной работы по данному подразделу СРС -60 ч.
На самостоятельную (дополнительную) проработку вынесены
следующие разделы тем теоретического курса дисциплины (таблица 5):
20
Таблица 5
Номер и наименование
раздела
Номер лекции
Время на СРС, ч
Раздел 1
Введение в курс.
Физические свойства
полупроводниковых
материалов. Основные
области применения
полупроводниковых
материалов.
4
5
5
5
6
5
Раздел 2
Физико-химические
основы методов очистки
веществ. Методы
выращивания
монокристаллов.
Раздел 3
Технология получения
германия. Получение
кристаллов германия
высокой чистоты и с
заданными свойствами.
Технология получения
кремния. Получение
кристаллов кремния
высокой чистоты и с
заданными свойствами.
Раздел 4
Природа
полупроводниковых
соединений. Технология и
аппаратура для получения
неразлагающихся и
разлагающихся
полупроводниковых
соединений. Контроль
структуры и свойств.
Заключение.
7
9
5
5
12
5
14
15
5
5
16
5
22
24
5
5
26
5
В соответствии с приведенным выше перечнем разделов в таблице 6
приведены вопросы для самостоятельного изучения, рекомендуемая
литература с границами изложения материала по заданной теме.
21
Таблица 6
Номер лекции
4
5
6
7
9
12
14
15
16
Вопросы для
самостоятельного изучения
Физическая природа
электропроводности
металлов. Температурная
зависимость удельного
сопротивления металлов и
полупроводников
Электропроводность
полупроводников в сильном
электрическом поле
Оптические и
фотоэлектрические явления
в полупроводниках,
термоэлектрические
свойства полупроводников
Классификация
проводниковых материалов.
Свойства и марки
важнейших
полупроводников
Химические транспортные
реакции.
Равновесие жидкостьжидкость, экстракция
Основные методы
направленной
кристаллизации. Технология
основы направленной
кристаллизации.
Выращивание из паровой
фазы. Выращивание
эпитаксиальных пленок
кристаллизацией из
растворов в расплавленных
металлах.
Получение чистой двуокиси
германия. Получение
чистого
поликристаллического
германия.
Нейтрализация примесей в
германии.
Параметры выращивания
монокристаллов, влияющие
на электрофизические
свойства германия.
22
Рекомендуемая литература
[1], с. 35-39;
[1], с. 104-106;
[1]. с. 126-133;
[6], с. 42-51.
[1], с.111-122
[1], с.56-63;
[6], с. 52-70
[5], с. 72-81
[5], с. 81-89
[5], с. 102-104
[5], с. 123-137
[5], с. 163-169
[7], 361-369
[5], с. 254-259
[7], 377-386
22
24
26
Синтез полупроводниковых
соединений. Классификация
процессов
Твердые растворы
неразлагающихся
полупроводниковых
соединений
Методы контроля
концентрации оптически
активных примесей
кислорода и углерода в
кремнии. Методы контроля
структурных параметров.
[5], с. 410-426
[5], с. 438-442
[6], с. 239-254
Контроль самостоятельного изучения отдельных тем в соответствии с их
наименованиями проводит преподаватель, читающий лекции дисциплины.
Задание на самостоятельное изучение теоретического материала
выдается преподавателем в виде тем и сроков изучения в соответствии с
перечнем, приведенным в таблице 5. Прием самостоятельных работ проводит
преподаватель дисциплины «Технология материалов электронной техники» в
указанные сроки в виде тестирования, собеседования, публичной защиты
изученного материала, написания рефератов, контроля знаний студента на
зачете.
Используя рекомендованную литературу и тематический план раздела
студент должен изучить теоретический материал по заданной теме. При
изучении материала особое внимание необходимо обратить на методологию
изложения темы, специфические особенности изучаемого раздела. Используя
контрольные вопросы провести оценку остаточных знаний по изучаемой теме.
2.3. Методические указания по подготовке к выполнению и защите
лабораторных работ
2.3.1. Последовательность процесса подготовки:
1) Используя рекомендованную литературу и электронные ресурсы
изучить теоретический материал по теме лабораторной работы.
2) Используя электронные ресурсы и результаты проведенного
эксперимента подготовить отчет по проведенной лабораторной работе. В
отчете по лабораторной работе привести:
– цель работы:
– краткие (3–4 страницы) теоретические сведения по работе;
– методику проведения эксперимента:
– полученные результаты эксперимента;
23
– выводы по результатам эксперимента, сопровождающиеся (при
необходимости) иллюстрационным материалом (графики, зависимости,
схемы).
3) Используя контрольные вопросы провести самооценку знаний по
теме лабораторной работы. Выяснить: на какие из представленных вопросов
вы не можете ответить?
4) Повторить теоретический материал и заново ответить на вопросы.
2.3.2 Темы лабораторных работ, выполняемых в девятом семестре
Темы лабораторных работ приведены в таблице 7.
Таблица 7
№
п/п
1
№ раздела
дисциплины
Раздел 4
2
3
Раздел 2
Раздел 2
4
Раздел 2
5
Раздел 4
6
Раздел 2
7
Раздел 2
Наименование лабораторных работ, объем (ч)
Определение концентрации растворенного вещества по
показателю преломления раствора. (4 часа)
Очистка в процессе дистилляции. (4 часа)
Очистка в процессе ректификации. Колонна без дефлегматора.
(4 часа)
Очистка в процессе ректификации. Колонна с дефлегматором.
(4 часа)
Определение свободной поверхностной энергии раствора
(расплава). (8 часов)
Изучение кинетики спонтанной кристаллизации веществ из
раствора. (6 часов)
Исследование условий направленной кристаллизации вещества
из собственного расплава и из расплава раствора. (4 часа)
Занятие 1. Определение концентрации растворенного вещества по
показателю преломления раствора. (4 часа)
Цель лабораторного занятия: изучение зависимости показателя
преломления от концентрации раствора и определение концентрации
растворенного вещества по показателю преломления раствора
В процессе выполнения работы будет освоена методика определения
показателя преломления на рефрактометре ИРФ–22. Построена градировочная
кривая зависимости показателя преломления от концентрации раствора.
Занятие 2. Очистка в процессе дистилляции. (4 часа)
Цель лабораторного занятия: исследовать процесс дистилляции на
примере очистки водных растворов различных веществ.
В процессе выполнения работы будет проведен процесс разделения
водного раствора спирта дистилляцией. Построен график изменения
концентрации спирта в дистилляте от времени проведения процесса.
24
Занятие 3. Очистка в процессе ректификации. Колонна без
дефлегматора. (4 часа)
Цель лабораторного занятия: исследовать процесс ректификации на
ректификационной колонне без дефлегматора на примере очистки водных
растворов различных веществ.
В процессе выполнения работы будет проведен процесс разделения
водного раствора спирта ректификацией на ректификационной колонне без
дефлегматора. Построен график изменения концентрации спирта в дистилляте
от времени проведения процесса.
Занятие 4. Очистка в процессе ректификации. Колонна с
дефлегматором. (4 часа)
Цель лабораторного занятия: исследовать процесс ректификации на
ректификационной колонне с дефлегматором на примере очистки водных
растворов различных веществ.
В процессе выполнения работы будет проведен процесс разделения
водного раствора спирта ректификацией на ректификационной колонне с
дефлегматором. Построен график изменения концентрации спирта в
дистилляте от времени проведения процесса.
Занятие 5. Определение свободной поверхностной энергии раствора
(расплава). (8 часов)
Цель лабораторного занятия: Определение свободной поверхностной
энергии расплава металла и водных растворов.
В процессе выполнения работы будет осуществлен процесс измерения
поверхностной энергии водного раствора. Будет построен график изменения
поверхностной энергии в зависимости от концентрации раствора.
Занятие 6. Изучение кинетики спонтанной кристаллизации веществ
из раствора. (6 часов)
Цель лабораторного занятия: Изучение кинетики спонтанной
кристаллизации веществ из раствора.
В процессе выполнения работы будет осуществлен процесс спонтанной
кристаллизации. Исследование кинетики кристаллизации проводится по
уменьшению концентрации растворенного вещества в растворе. Опыт
проводится на водных растворах борной кислоты или буры.
Занятие 7. Исследование условий направленной кристаллизации
вещества из собственного расплава и из расплава раствора. (4 часа)
Цель лабораторного занятия: визуально под микроскопом исследовать
характер и стадии плавления и кристаллизации вещества из собственного
расплава и из расплава раствора.
В процессе выполнения работы будет осуществлено наблюдение через
микроскоп процесса направленной кристаллизации из собственного расплава
или расплава раствора на модельных веществах: камфаре, нафталине,
насыщенном растворе NaCl или сахара в воде.
25
При подготовке к выполнению лабораторных работ рекомендуется
воспользоваться списком литературы:
1. Пасынков, В.В., Сорокин, В.С. Материалы электронной техники:
Учебник для вузов. – СПб.: Лань, 2003. – 368 с.
2. Материаловедение и материалы электронных средств: методические
указания к практическим занятиям / Составитель Фролова Т.Н. Владим. гос.
ун-т. – Владимир, 2009. – 48 с.
3. Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых и диэлектрических
материалов: Учебник для вузов. – СПб.: Лань, 2002, 424 с.
4. Технология материалов электронной техники: Методические указания
по выполнению лабораторных работ для студентов специальности 150108
"Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия"/
Составители: Леонов В.В., Шагаров Б.А. КГУЦМиЗ. - Красноярск, 2005.- 35
2.4. Подготовка к итоговому и промежуточному контролю
В процессе
самостоятельной работы по изучению дисциплины
предусмотрена подготовка к тестовому контролю в объеме 18 ч.
Применяются следующие виды контроля:
- текущий контроль знаний студентов в течение семестра, который
определяет результаты промежуточных аттестаций;
- итоговый контроль знаний студентов (зачет).
Текущий контроль знаний направлен на закрепление у студентов
в
процессе
теоретических
сведений,
полученных
на
лекциях,
самостоятельного изучения учебного материала, выполнения практических
заданий. При изучении курса «Технология материалов электронной техники»
предусмотрено проведение тестового контроля по разделам 1 - 4.
Промежуточный тестовый контроль проводится в течение всего
семестра либо после каждой лекции, либо по окончании раздела лекционного
курса.
К каждой лекции курса «Технология материалов электронной техники»
имеются 20 тестовых заданий. Задания составлены таким образом, что
охватывают не только весь прочитанный материал, но и материал,
вынесенный на самостоятельное изучение.
Целью мероприятий промежуточного контроля знаний по дисциплине
является закрепление знаний, полученных в период освоения теоретического
раздела курса.
На основе результатов проверки усвоения студентами теоретического
материала проводится корректировка методологии преподавания курса,
порядка
изложения
и
объема
учебного
материала,
доработка
презентационного и иллюстрационного материала.
26
Проведение
мероприятий
промежуточного
контроля
знаний
осуществляется за счет времени самостоятельной работы студента, с
использованием программ тестового контроля.
Последовательность процессов подготовки и выполнения мероприятиям
тестового контроля знаний.
Используя рекомендованную литературу и электронные ресурсы,
изучить теоретический материал по заданной преподавателем теме.
Используя контрольные вопросы по теме, представленные в конспекте
лекций, провести оценку готовности к процедуре тестирования. Выяснить: на
какие из представленных вопросов вы не можете ответить. Заново изучить
теоретический материал. При необходимости обратиться за консультацией к
преподавателю.
В установленный срок (неделя, после выдачи задания на тестирование
по теме), пройти проверку контроля знаний в компьютерном классе
факультета.
При получении отрицательной оценки по тестированию заново изучить
теоретический материал и повторить процедуру тестирования.
2.5.
Литература и информационные источники
Данный раздел содержит
список основной и дополнительной
литературы, электронных методических изданий, перечень программного
обеспечения, методических указаний по проведению конкретных видов
учебных занятий, а также перечень методических материалов, используемых в
учебном процессе.
Основная литература
1. Пасынков, В.В., Сорокин, В.С. Материалы электронной техники:
Учебник для вузов. – СПб.: Лань, 2003. – 368 с.
2. Материаловедение и материалы электронных средств: методические
указания к практическим занятиям / Составитель Фролова Т.Н. Владим. гос.
ун-т. – Владимир, 2009. – 48 с.
3. Таиров, Ю.М. Технология полупроводниковых и диэлектрических
материалов: Учебник для вузов. – СПб.: Лань, 2002, 424 с.
4. Технология материалов электронной техники: Методические указания
по выполнению лабораторных работ для студентов специальности 150108
"Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия"/
Составители: Леонов В.В., Шагаров Б.А. КГУЦМиЗ. - Красноярск, 2005.- 35
27
Дополнительная литература
5. Сахаров, Б.А., Вигдорович, В.Н., Маслов, В.Н., Нашельский А.Я.,
Соколов Е.Б, Фистуль В.И., Шашков Ю.М. Металлургия и технология
полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1972. - 544 с.
6. Нашельский, А.Я. Производство полупроводниковых материалов. М.:
Металлургия, 1989. –272.
7. Беляев, А.И., Жемчужина, Е.А., Фирсанова, Л.А. Металлургия чистых
металлов и элементарных полупроводников. М.: Металлургия, 1969.
8. Андреев, В.М., Кузнецов, А.С., Петров, Г.И., Шигина, Л.Н.
Производство германия. М.: Металлургия, 1969. - 96 с.
9. Салли, И.В., Фалькевич, Э.С. Производство полупроводникового
кремния. М.: Металлургия, 1970. - 152 с.
10. Сверхчистые металлы. М.: Металлургия, 1966. - 230 с.
11. Технология ионного легирования. М.: Советское радио, 1974.
12. Романенко, В.Н. Управление составом полупроводниковых
кристаллов. М.: Металлургия, 1976.
13. Фистуль В.И. Сильно легированные полупроводники. М.: Наука,
1967.
14. Смит Р. Полупроводники. М.: ИЛ, 1962.
15. Полупроводники. Под ред. Хеннея Н.Б. М.: ИЛ, 1962.
16. Милнс, А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках.
М.:Мир, 1977.
17. Фистуль, В.И. Введение в физику полупроводников. М.: Физматгиз,
1980.-389 с.
18. Реньяр, В.Р. Технология полупроводникового кремния. М.:
Металлургия, 1969. - 336 с.
19. Богуславский, Л.И., Ванников, А.В. Органические полупроводники и
биополимеры. М.: Наука, 1968.
20. Абрикосов, Н.Х. и др. Полупроводниковые халькогениды и сплавы на
их основе. М.: Наука, 1975.
21. Маслов, В.Н. Выращивание профилированных полупроводниковых
монокристаллов. М.: Металлургия, 1977. - 422 с.
22. Пфанн, Б. Зонная плавка. М.: Мир, 1970. -261 с.
23. Шашков, Ю.М. Выращивание монокристаллов методом вытягивания.
М.: Металлургия, 1982. -282 с.
28
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
13
Размер файла
350 Кб
Теги
метод, техника, технология, учеб, материалы, самост, работа, пособие, электронные, спец, 2013, студента
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа