Основные этапы формирования твёрдотельной структуры биполярных интегральных микросхем (ИМС)

Элементы биполярных интегральных структур создаются в едином технологическом цикле на общей полупроводниковой подложке. Каждый элемент схемы формируется в отдельной изолированной области, а соединения между элементами выполняются путем металлизации на поверхности пассивированной схемы. Изоляция межу элементами схемы осуществляется двумя способами: обратносмещенными p–n переходами и диэлектриком. Изоляция обратносмещенным переходом реализуется следующими технологическими методами: разделительной; коллекторной изолирующей диффузией; базовой изолирующей диффузией; методом трех фотошаблонов; изоляцией n- полостью.

Для изоляции элементов ИМС диэлектриком используют слой SiO2 и Si3N4, ситалл, стекло, керамику, воздушный зазор. Технологические методы создания ИМС с диэлектрической изоляцией – это: эпик - процесс, изапланарный, эпипланарный, полипланарный; метод вертикального изотропного травления; методы изоляции воздушным зазором с помощью диэлектрического основания, балочных выводов, кремния на сапфире или шпинели.

Наиболее распространенным является эпитаксиально - диффузионный метод разделительной диффузии. Для создания транзисторной структуры n-p-n используется подложка p-кремния. Пластина кремния окисляется в атмосфере влажного и сухого кислорода. После первой фотолитографии проводится локальная диффузия донорной примеси с малым коэффициентом диффузии (As, Sb) и формируется скрытый высоколегированный слой n+ глубиной около 2 мкм.

Примесь с малым коэффициентом диффузии необходимо использовать, чтобы свести к минимуму изменение границ скрытого слоя при последующих высокотемпературных технологических операциях. После этого с поверхности полностью удаляется слой окисла и пластина очищается. На очищенной поверхности кремния выращивается эпитаксиальный слой n-типа толщиной 10–15 мкм с удельным сопротивлением 0,1 – 10 Ом•см. Поверхность эпитаксиального слоя оксидируется. В слое окисла проводится вторая фотолитография и создаются окна для локальной разделительной диффузии.

Разделительная диффузия проводится в две стадии: первая (загонка) – при температуре 1100–1150 ºС, вторая (разгонка) – при температуре 1200–1250 ºС. В качестве диффузанта используется бор. Разделительная диффузия осуществляется на всю глубину эпитаксиального слоя; при этом в подложке кремния формируются отдельные области полупроводника, разделенные p-n переходами. В каждой изолированной области в результате последующих технологических операций формируется интегральный элемент.

Для проведения базовой диффузии процессы очистки поверхности, окисления и фотолитографии повторяются, после чего проводится двухстадийная диффузия бора: первая при температуре 950-1000 ºС, вторая при температуре 1150-1200 ºС.

Эмиттерные области формируются после четвертой фотолитографии. Эмиттерная диффузия проводится в одну стадию при температуре около 1050 ºС. Одновременно с эмиттерами формируются области под контакты коллекторов. В качестве легирующей примеси используется фосфор.

Для получения омических контактов производится пятая фотолитография, в результате которой в защитном окисном слое вскрываются окна под контакты.

 

6 Дроссели и трансформаторы в электронных системах безопасности

Дроссели

Дроссель электрический – катушка индуктивности, включаемая в электрическую цепь последовательно с нагрузкой для устранения (подавления) или ограничения переменной составляющей тока различной частоты. Реактивное сопротивление

X_L = 2πfL = wL

где f – частота;

w – циклическая частота;

L – индуктивность;

Дроссели обычно имеют сердечник (электротехническая сталь). Применяются преимущественно в электрических фильтрах.

Дроссель высокой частоты – это катушка индуктивности, включаемая в цепь тока высокой частоты для увеличения ее сопротивления. При этом значение постоянного тока или тока низкой частоты не изменяется. Дроссели применяются в цепях фильтрации питания усилителей высокой частоты. Для повышения заградительных свойств дроссель должен обладать значительной по сравнению с контурной катушкой индуктивностью и весьма малой емкостью. Резонансная частота дросселя должна быть гораздо больше частоты выделяемого в контуре рабочего сигнала. В этом случае при индуктивности порядка сотен микрогенри дроссель должен быть эффективен в развязывающих цепях контуров УВЧ. Конструктивно дроссели высокой частоты выполняют намоткой на любой каркас, например, на основания непроволочных резисторов, в виде однослойных сплошных катушек либо катушек типа "универсаль". Дроссели, выпускаемые промышленностью, намотаны на ферритовые стержни и опрессованы пластмассой, их индуктивность сотни микрогенри –единицы миллигенри.

 

Низкочастотные дроссели

Низкочастотные дроссели, в большинстве случаев предназначенные для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения в телевизорах, радиоприемниках, передатчиках и других устройствах, входят в состав сглаживающих и низкочастотных LC -фильтров. Сопротивление дросселя постоянному току весьма мало и равно омическому сопротивлению провода обмотки. Сопротивление дросселя переменному току

Z = 2πfL

(где f – частота питающей сети 50 или 400 Гц или пульсаций 100 или 800;

L – индуктивность дросселя в Гн) составляет несколько единиц – десятков кOм и зависит от требуемого уровня допустимых пульсаций.

В управляемых дросселях, наоборот, используется свойство магнитного материала изменять свое сопротивление переменному току при изменении рабочей точки магнитной характеристики.

 

 

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток на магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений) переменного тока без изменения частоты системы (напряжения) переменного тока.

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)

2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока, и наоборот.

Закон Фарадея

ЭДС, создаваемая во вторичной обмотке, может быть вычислена по закону Фарадея, который гласит:

Где U₂ — Напряжение на вторичной обмотке,

N₂ — число витков во вторичной обмотке,

Φ — суммарный магнитный поток, через один виток обмотки. Если витки обмотки расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет пропорционален магнитному полю B и площади S через которую он проходит.

ЭДС, создаваемая в первичной обмотке, соответственно:

Где U₁ — мгновенное значение напряжения на концах первичной обмотки,

N₁ — число витков в первичной обмотке.

Поделив уравнение U₂ на U₁, получим отношение:

Трансформаторы напряжения являются особо важными и необходимыми аппаратами высокого напряжения они предназначены для понижения высокого напряжения (свыше 250 В) до значения, равного 100 В, 100/ В, 100/3 В - необходимого для питания измерительных приборов, цепей автоматики, сигнализации и защитных устройств. Они так же, как и трансформаторы тока, изолируют (отделяют) измерительные приборы и реле от высокого напряжения, обеспечивая безопасность их обслуживания.