VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

ВВЕДЕНИЕ

Технология – наука, занимающаяся изучением закономерностей, действующих в процессе производства для обеспечения минимальной себестоимости и требуемого качества изделия.

Полупроводниковые приборы широко распространены. Это определяется их преимуществами перед электронными приборами обычного типа. Например, диоды имеют такие преимущества перед трехэлектродными лампами, как малые габариты и вес, это повышает механическую прочность и увеличивает срок службы; потребляется незначительная мощность; малая инерционность и простота конструкции обеспечивают высокую надежность.

Различают ионные и электронные полупроводниковые материалы. В ионных полупроводниках ток создается перемещением ионов того вещества, из которого состоит. Проводимость, обусловленная движением свободных электронов, называют электронной. Она делится на проводимость n-типа и p-типа. В производстве большую роль играет чистота исходных материалов.

Каждому полупроводнику можно придать проводимость n-типа или p-типа. Для этого нужно ввести в полупроводник немного примеси, которые чрезвычайно сильно увеличивают электропроводность полупроводника.

1. Общие сведения

Разнообразные типы полупроводниковых приборов в массовом масштабе используют в самых различных и ответственных схемах.

По своему назначению полупроводниковые приборы делятся на: терморезисторы (термисторы), фотоэлементы, варисторы. Особую группу составляют приборы с p-n- и p-n-p-переходами – диоды, транзисторы и др.

Фотоэлементы – приборы, использующие возникновение электрических зарядов под действием света. Фотопроводимость полупроводников пропорциональна силе света при слабом световом потоке. Также широко используются люминофоры – вещества, обладающие способностью светиться после воздействия света или потока электронов.

Варисторы – переменные сопротивления, величина которых зависит от напряжения, силы тока или полярности тока.

Принцип действия термисторов основан на использовании отрицательного значения температурного коэффициента сопротивления полупроводников. Незначительное повышение температуры может сильно уменьшить сопротивление полупроводникового термистора, чувствительность к температуре позволяет широко использовать термисторы как датчики температур для термокомпенсации в автоматических приборах и устройствах, в авиации, метеорологии др. Конструктивно термисторы изготовляют в виде дисков, шайб, стержней, бусинок и пленок, изготовляемых методом порошковой металлургии. Для этого используют порошковые окислы металлов ZnO, MgO, Ag2S. Порошки спрессовывают, потом обжигают при 900…1300 С и заключают между двумя контактами (электродами). Металлические контакты выполняют путем нанесения золотой, серебряной или платиновой пасты на основе эпоксидной смолы типа токопроводящего клея – контактола.

Бусинковые термисторы изготовляют путем натягивания двух тонких проволочек из платинового сплава параллельно друг к другу на расстоянии от 5 до 10 диаметров бусинок. Далее на них наносят небольшую каплю пасты из полупроводниковой смеси порошка со связующим компонентом. На проволочках может быть до 20 бусинок. Их просушивают и слегка нагревают, а затем спекают в печи.

Пленочные термисторы изготовляют методами вакуумной технологии.

Принцип действия приборов n-p-n и p-n-p-переходами основан на явлениях, происходящих на границе, разделяющей два полупроводника с различными типами проводимости.

Полупроводниковый прибор, содержащий один p-n-переход и предназначенный для выпрямления переменного тока, называют диодом. Диод пропускает ток только в одном направлении, т.е. обладает выпрямительными свойствами.

Для стабилизации напряжения применяют стабилитроны – полупроводниковые диоды, изготовленные из кремния с низким удельным сопротивлением.

Для работы в качестве переменной емкости применяют варикапы – полупроводниковые приборы.

Транзистор – полупроводниковый прибор способный усиливать или генерировать электрические колебания. Он представляет собой систему из двух p-n-переходов, расположенных на близком расстоянии друг от друга в одном монокристалле полупроводникового материала.

Наибольшее распространение получили приборы с и p-n-переходом. Они создаются методами диффузии, сплавления или сочетанием этих методов, а также методом вытягивания из расплава.

Основные и вспомогательные материалы выбираются исходя из назначения и конструкции прибора. Подготовка основных материалов заключается в их очистке. Металлургические методы очистки основаны на следующем явлении: выпадающие при охлаждении из расплавленного полупроводникового материала с некоторым количеством примеси (жидкая фаза) твердые кристаллики (твердая фаза) обычно имеют концентрацию примеси, отличающуюся от концентрации ее в жидкой фазе.

На практике используют два основных метода очистки: метод направленной кристаллизации и метод зонной плавки.

Создание перехода – очень важная операция. Переходы выполняют методами вытягивания кристалла из расплава, диффузией или сплавлением.

Метод вытягивания осуществляют следующим образом: в тигле в атмосфере инертного газа расплавляют монокристалл p-типа проводимости. Потом в расплав вводят некоторое количество примеси, дающей n-тип

проводимости, чтобы проводимость растущего монокристалла изменила знак и стала возможно большей. После вытягивания низкоомной части слитка n-типа необходимой длинны процесс прекращают. Этот процесс сопровождается вращением и вибрацией стержня, что позволяет вертикально расти кристаллу.

Диффузионный метод применяют для создания p-n-переходов из индия, кремния или германия. Диффузия – процесс проникновения атомов одного вещества в другое, который происходит в результате разности концентраций атомов. Создают две температурные зоны в кварцевой трубке. В одной из трубок находится тигель с примесью, в другой – лодочка с пластинами полупроводника. Через трубу пропускают инертный газ. Он захватывает примеси и несет их к пластинам полупроводника, расположенным вертикально. Затем температуру понижают, происходит процесс кристаллизации.

Также применяют планарные технологии. Они обеспечивают получение сложных слоистых структур типа p-n. Поверхность полупроводниковой пластины подвергают специальной термической обработке в окислительной атмосфере с целью создания на пластине кремния окисной пленки. На окисную пленку наносят локально защитное покрытие. Затем незащищенные части окисной пленки вытравляют, а защищенные остаются. Далее защитное покрытие снимают специальным растворителем. Обработанная пластина поступает на диффузию бора или мышьяка. Участки оставшейся окисной пленки препятствуют процессу диффузии для этих примесей. В результате создаются отдельные участки с p-n-переходами, которые, выходя на поверхность и оказываясь под слоем окиси кремния, являются хорошим диэлектриком.

Сплавной метод: в газовой или вакуумной печи нагревают кассету с таблетками индия, помещенными на поверхности германия. Сплав с примесью одного из элементов V группы периодической системы Д. И. Менделеева употребляют для получения p-n-перехода на полупроводниковом материале, имеющем p-тип проводимости. Загруженную кассету нагревают. После выдержки печь охлаждают до + 100 С, происходит взаимный расплав, а затем кристаллизация. Отвердевающий сплав насыщается индием, который проникает в германий. Эту операцию повторяют с другой стороны, получая p-n-p-переход.

Механическая обработка материалов и подготовка поверхности заключается в ориентации и разрезке слитка из пластины, которые затем шлифуют и травят для очистки от окислов и загрязнений. Вспомогательные материалы, в том числе контакты, изготовляют из никеля, меди, золота. После нарезки контакты травят, шлифуют, лудят и термообрабатывают. Кристаллические полупроводниковые и вспомогательные материалы режут алмазными дисками, стальными полотнами и абразивами на фрезерных и шлифовальных станках и дисковыми пилами. Для того, чтобы выявить брак, кристаллы сортируют и контролируют. Поверхность очищают путем тщательной промывки, чтобы удалить остатки растворов и солей, образовавшихся во время травления. Затем кристаллы сушат в среде очищенного и осушенного газа.

На стадии лакировки места p-n-перехода покрывают тонкой пленкой лака. Она предохраняет их от воздействия окружающей среды и обеспечивает стабильность параметров прибора во времени.

Выводы присоединяют пайкой, сваркой или оплавлением.

Окончательная обработка поверхности проводится химическим травлением с последующей промывкой.

Сборка прибора с корпусом: для транзисторов применяют герметизированные корпуса. Бескорпусные транзисторы и диоды заливают лаками и компаундами или опрессовывают пластмассами.

Для стабилизации параметров транзистора применяют искусственное старение прибора.

Перед монтажом приборы контролируют и отбраковывают по группам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полупроводниковые приборы получили широкое распространение. Их изготовлением занимаются десятки предприятий. Их развитие требует притока все более квалифицированных техников, обеспечение надежности, качества. Надежность – свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Проблемы обеспечения надежности очень актуальны, так как отказы в работе изделия приводит к нарушению ритмичности производства, к экономическим потерям.

Надежность изделия определяется правильностью построения производственного процесса, унификацией и нормализацией его элементов. Она зависит от технического оснащения, технологических процессов, предметов производства (исходных материалов), исполнителей процессов. Необходимо контролировать технологическую точность изготовления приборов, чтобы параметры качества оставались стабильными в условиях серийного и массового производства. Поэтому технология изготовления полупроводниковых приборов должна быть точной и надежной.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бабаянц С.С., Семенков Е.А., Основы конструирования и технологии производства электронных и электрических средств автоматизации. – М.: Высшая школа, 1997.

2. Баканов Г.Ф., Соколов С.С., Суходольский В.Ю., Основы конструирования и технологии радиоэлектронных средств. – М.: Академия, 2007.

Код для цитирования: Скопировать