ние тонкой алюминиевой проволочки в кристалл кремния. В специальных графитовых кассетах торец алюминиевой проволочки приводится в соприкосновение с поверхностью кремниевого кристалла, к которому с другой стороны прижимается тонкая фольга из сплава золота с сурьмой. При нагреве кассеты в вакуумной печи до высокой температуры и некоторой выдержке происходит смачивание поверхности кремния алюминием и взаимное растворение их друг в друге. В процессе охлаждения части растворенного кремния выделяются из жидкой капли силумина (сплав кремний
– алюминий) и рекристаллизуются в виде монокристаллического слоя толщиной в несколько микрон на исходном монокристалле. Время выдержки выбирается обычно таким, чтобы рекристаллизованный слой кремния содержал предельную для данной температуры концентрацию
алюминия (в диапазоне температур 600 – 700 оС она составляет
6÷9·1018 см-3).
Таким образом, в результате сплавления образуется тонкая рекристаллизованная область кремния с резко выраженной дырочной проводимостью, между этой областью и исходным кристаллом n-типа возникает электронно-дырочный переход.
Одновременно с получением p–n-перехода при вплавлении золотой фольги в противоположную поверхность кристалла образуется слой рекристаллизованного кремния с повышенной электронной проводимостью (предельная растворимость сурьмы в кремнии при тех же температурах составляет 1 – 2·1019 см-3). Полученный переход типа n–n+ обладает свойствами омического контакта малого сопротивления к кремнию n-типа.
Описанная технология получения сплавного p–n-перехода применяется для получения выпрямительных и импульсных диодов, стабилитронов и варикапов.
Кремниевые сплавные импульсные диоды успешно применяются для переключения больших импульсов тока (до 0,5 – 0,8 А) в схемах с высокими питающими напряжениями (до 100 В) при среднем быстродействии (время переключения – порядка десятых долей микросекунды).
5.3.5. Диоды с золотой связкой
Значительно проще, чем при вплавлении индия, германиевые сплавные импульсные диоды получаются при использовании в качестве электрода тонкой золотой проволоки. Эти приборы, получившие название диодов с золотой связкой, иногда по чисто внешним признакам относят к точечным диодам, однако это вряд ли правильно, так как образующийся при сплавлении золота с германием контакт обладает всеми свойствами сплавного p–n-перехода малой площади.
46
Для получения p–n-перехода в диодах с золотой связкой используется метод микровплавления иглы в кристалл германия с разогревом места контакта импульсом электрического тока. Золото в качестве материала иглы выбирается из-за низкой температуры эвтектики системы «золото – германий» (356 оС), что позволяет получить сварной контакт без сильного перегрева германиевого кристалла.
При пропускании электрического импульса кончик иглы сплавляется с германием, а при охлаждении в месте контакта образуется рекристаллизованный слой германия дырочной проводимости.
В отличие от технологии точечных диодов импульс сварки значительно мощнее (амплитуда 1 – 3 А, длительность 0,1 – 0,5 с). Процесс сварки заканчивается после пропускания одного импульса тока.
Таким образом, и физически, и технологически процесс приварки золотой иглы к германию коренным образом отличается от электроформовки точечных диодов.
Для обеспечения высокой прямой проводимости диода с золотой связкой необходимо, чтобы рекристаллизованный p-слой германия имел низкое удельное сопротивление. С этой целью иглы изготавливаются из сплава золота с небольшой присадкой галлия, обладающего большим коэффициентом распределения и высокой предельной растворимостью в германии при всех температурах. Специальными исследованиями установлено, что оптимальный сплав для изготовления игл содержит порядка 1 % галлия. При дальнейшем повышении содержания галлия прямая проводимость диода заметно не увеличивается, но это приводит к возрастанию хрупкости иглы; при уменьшении концентрации галлия прямое сопротивление возрастает.
Германиевые диоды с золотой связкой изготавливаются с максимально допустимыми обратными напряжениями до 50 – 70 В, прямыми токами до нескольких сотен миллиампер при напряжении 1 В и емкостью порядка 1 пФ. Использование в качестве исходного материала германия, легированного золотом, позволяет получать приборы со временем восстановления в несколько десятков наносекунд.
5.3.6. Диффузионные диоды
Наиболее прогрессивная технология получения p–n-переходов импульсных диодов основана на использовании диффузии донорных и акцепторных примесей в твердый полупроводник при высокой температуре. Метод диффузии позволяет, по крайней мере принципиально, в очень точных пределах контролировать расположение p–n-перехода в кристалле, градиент примеси p–n-перехода, концентрацию примесей в p- и n-областях. Все
47
это обеспечивает высокую степень воспроизводимости и однородности электрических параметров диффузионных приборов.
Кроме этих общих преимуществ метод диффузии имеет и другие достоинства, играющие первостепенную роль при конструировании импульсных диодов. Идеально плоский фронт диффузии, который может быть получен при тщательной механической обработке поверхности полупроводника, в сочетании с контролируемой глубиной залегания p–n-перехода создает условия для получения тонкой однородной базовой области.
Поскольку по характеру распределения примесей диффузионный p–n-переход относится к плавным переходам, его зарядная емкость может быть значительно ниже, чем у равного по площади сплавного p-n-перехода, изготовленного на том же полупроводниковом материале. Пробивное напряжение для плавных p–n-переходов с постепенным изменением концентрации примесей также значительно выше, чем для структур с резким, ступенчатым распределением примесей.
Эти два обстоятельства позволяют при изготовлении диффузионных диодов использовать более низкоомный исходный материал, чем при изготовлении сплавных и точечных диодов.
Применение низкоомных полупроводников обеспечивает уменьшение прямого сопротивления как статического, так и импульсного. Кроме того, в низкоомном полупроводнике можно получить меньшие, чем в высокоомном, значения времени жизни неравновесных носителей заряда и соответственно более высокое быстродействие диода. Диоды на высокоомном материале характеризуются и рядом технологических преимуществ: они имеют большую максимально допустимую температуру, меньшие значения обратных токов и их лучшую стабильность во времени, меньший разброс параметров из-за большей однородности низкоомных монокристаллов по сравнению с высокоомными.
Важнейшей операцией при получении импульсного диода является создание мезаструктуры путем глубокого химического травления кристалла с омическим контактом в смеси пергидроли со щелочью.
Происхождение термина «мезадиоды» связано со следующим. После проведения диффузии и защиты отдельных участков поверхности специальными масками кристалл подвергается травлению, при котором стравливаются все диффузионные слои на незащищенной части поверхности. P–n-переходы остаются лишь внутри маленьких замаскированных областей, которые возвышаются над остальной поверхностью в виде столиков, имеющих в поперечном разрезе вид прямоугольника. Mesa означает по-испански стол. Поэтому подобные структуры назвали мезаструктурами, а приборы на их основе – мезадиодами и мезатранзисторами.
Контроль диаметра «шейки» осуществляется с помощью микроскопа. В последнее время этот трудоемкий метод контроля вытесняется более
48
производительными и точными косвенными методами, основанными на зависимости какого-либо из электрических параметров (например, Uпр) от
диаметра «шейки». По описанной технологии удается получать мезаструктуры в условиях массового производства с диаметром «шейки» от 70 до
200 мк.
При изготовлении германиевых диффузионных диодов в качестве исходного материала используется германий p-типа, а в качестве диффузанта
– сурьма. Это обусловливается тем, что в германии коэффициенты диффузии донорных примесей значительно превосходят коэффициенты диффузии акцепторных атомов.
Экспериментально установлено, что в кремнии, в отличие от германия, акцепторные примеси диффундируют быстрее, чем донорные, поэтому в качестве исходного материала для изготовления диффузионных импульсных диодов удобнее использовать кремний электронной проводимости.
Наиболее просто диффузионный процесс может быть осуществлен при использовании бора в качестве диффузанта. Практически диффузия проводится из борносиликатного стекла, покрывающего поверхность кремния, непосредственно на воздухе при температуре порядка 1 100 – 1 200 оС. Перед диффузией пластина кремния окисляется путем выдержки ее в течение 1 – 2 часов на воздухе при температуре выше 1 000 оС. Затем после охлаждения на окисную пленку с одной стороны пластины кремния наносится слой насыщенного раствора борного ангидрида в спирте. Использование спирта в качестве растворителя диффузанта обеспечивает хорошее смачивание поверхности кремния и гарантирует однородность слоя диффузанта на кремнии.
При последующем нагревании пластины кремния борный ангидрид спекается с пленкой двуокиси кремния, что приводит к образованию борносиликатного стекла в соответствии с реакцией
xB2O3 ySiO2 BxSiyOz .
Иногда для образования борносиликатного стекла не требуется предварительного окисления кремния, а достаточно той окисной пленки, которая образуется в начале диффузионного отжига.
Наличие на поверхности кремния спекшейся с ним плотной стекловидной пленки обеспечивает одинаковую по всей площади поверхностную концентрацию бора, а также защиту от проникновения в кристалл других активных примесей. Этим достигается однородность распределения атомов бора в объеме кремния.
Легирование кремния золотом для эффективного уменьшения времени жизни неравновесных носителей заряда осуществляется так же, как и в германии, путем диффузии золота из тонкого слоя толщиной в несколько
49
сотен ангстрем (1 Å=10 10 м), полученного вакуумным напылением. Введение золота проводится после получения p–n-перехода, так как из-за наличия борносиликатного стекла вести оба процесса одновременно затруднительно.
5.3.7.Тепловые характеристики импульсных диодов
Вдиоде с ростом температуры особенно заметно увеличивается обратный ток, и при некоторой температуре, которую назовем максимальной,
р–п-переход практически полностью теряет свои выпрямляющие свойства. Для германиевых диодов эта температура лежит в пределах 70 – 120 оС, для кремниевых – в интервале 150 – 250 оС и зависит от удельного сопротивления исходного материала.
Предельная рабочая температура, разумеется, должна быть ниже ука-
занных максимальных значений и для подавляющего большинства диодов установлена равной: +70 оС – для германиевых диодов и +120 оС – для кремниевых.
Разогрев диода осуществляется как за счет повышения температуры окружающей среды, так и вследствие выделения некоторой тепловой мощности в самом диоде при протекании через него электрического тока. При этом величина перегрева p–n-перехода диода относительно окружающей среды зависит и от количества выделяющегося тепла, и от характера теплоотвода, который определяется конструкцией прибора и условиями его эксплуатации. Изучение тепловых свойств диодов, прежде всего, позволяет определить степень влияния повышения электрической мощности на рост температуры p–n-перехода и соответственно его обратного тока. Изучение тепловых свойств необходимо для правильного, обоснованного выбора величины максимально допустимого тока диода при различной температуре окружающей среды.
Для большинства импульсных диодов характерны малая площадь p–n-перехода, затрудненные условия теплоотвода, а также необходимость работы с относительно мощными токовыми импульсами.
Можно считать, что при протекании прямого тока через диод тепло выделяется только в области p–n-перехода и базы (т.е. в части кристалла между омическим контактом и p–n-переходом), так как сопротивление токоотводящих металлических электродов неизмеримо меньше сопротивлений этих областей. Поскольку в большинстве импульсных диодов сопротивление базы определяется главным образом ее участками, непосредственно примыкающими к p–n-переходу (например, в точечных диодах сопротивление шарового слоя радиусом 3r0 составляет 70 % всего сопротив-
ления базы), приближенно можно считать, что вся тепловая мощность выделяется в области p–n-перехода. Это утверждение тем вернее, чем мень-
50