ELEKTROTECHNIKA I
8. přednáška
PN výroba, chlazení
1
VÝROBA POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ
Polovodič
- prvek IV. skupiny, nejčastěji Si,
- vysoká čistota (10-10),
- bezchybná struktura atomové mřížky v monokrystalu.
Polovodič typu P - má příměs prvku, který má o jeden valenční elektron
méně než základní polovodič - nejčastěji bór B.
Polovodič typu N - má příměs prvku, který má o jeden valenční elektron
více než základní polovodič - nejčastěji fosfor P,
vodivost je způsobena pohybem valenčních elektronů
Základní materiál polovodičových součástek
- monokrystalický polovodivý Si
2
Monokrystaly - příprava z krystalového zárodku, např. tažením z taveniny
v kelímku (monokrystaly o průměru až 500 mm, délce až 180 cm a hmotnosti
do 100 kg).
Hotové monokrystaly
- řezání na tl. cca 1 mm
- leptání,
- broušení
- leštění
3
Technologie výroby polovodičových prvků
• vertikální uspořádání
do krystalu jsou zaváděny s definovaným gradientem koncentrace dotující příměsi
• horizontální uspořádání
umožňuje volbu plošné distribuce
příměsí – maska (tam, kde je příměs
nežádoucí)
Vertikální uspořádání
Přechody PN lze připravit: sléváním, difúzí, růstem epitaxní vrstvy,
iontovou implantací.
Slévání
• přechod PN vznikne na rozhraní slitiny dotující látky a základní
polovodičové desky při vyšší teplotě
• vytváří strmý přechod s širokou tolerancí
• výroba nejstarších germaniových polovodičových prvků
4
Difuze
• nejčastější postup výroby přechodů
• prostředí s vysokou teplotou (500 oC) + páry difuzního prvku
• proces je poměrně dobře řiditelný a reprodukovatelný,
• přechody jsou pozvolné
Epitaxní růst
• příprava polotovarů s tenkou vrstvou na povrchu, do nich dále vytvářeny
struktury polovodičových součástek
• z plynné nebo z kapalné fáze dochází ke krystalizaci z přesyceného roztoku
• dotace epitaxní vrstvy - přimíšením do pracovního prostředí (plyn, kapalina)
Iontová implantace
• moderní technologie - bez dlouhodobého ohřevu na vysokou teplotu tzv. iontový implantátor
• hloubka přechodu určena energií iontů (urychlovacím napětím)
• množství iontů dáno součinem doby implantace a hustoty iontového svazku
5
Iontový implantátor
6
Horizontální uspořádání
umožňuje volbu plošné distribuce příměsí
– maska (brání vniknutí příměsí tam, kde jsou nežádoucí)
Fotolitografický postup vytvoření masky z SiO2 pro difúzi
7
Vyrobený polovodičový systém – čip
•
•
•
•
ochrana před vlivem prostředí
opatření vnějšími vývody
zapouzdření – kovová, keramická nebo plastová pouzdra),
nezbytná schopnost odvádět teplo vznikající v čipu do okolí
Maximální teplota čipu tcmax
- nesmí být ani krátkodobě překročena,
Si tcmax = 150 oC - 210 oC,
Ge tcmax = 90 oC
⇒ teplo vytvořené ztrátovým výkonem P z čipu prvku musí být odváděno
pryč
8
CHLAZENÍ ELEKTRONICKÝCH PRVKŮ
Pro ustálený stav:
teplotní spád mezi čipem o teplotě ϑC a okolním prostředím o teplotě ϑ0 je
úměrný ztrátovému výkonu P a celkovému teplotnímu odporu Rϑ
∆ϑ = ϑc − ϑo = P.Rϑ = P. ∑ Ri
kde:
∆ϑ je
ϑC
ϑ0
oteplení čipu [K]
teplota čipu [K]
teplota okolí [K]
P
Rϑ
Ri
ztrátový výkon prvku [W]
celkový teplotní odpor [KW-1]
dílčí teplotní odpory [KW-1]
9
Ztrátový výkon Pz určíme:
a) u jednoduchých elektronických prvků (dioda, tranzistor)
- jako střední hodnotu součinu přiváděného napětí a proudu v čase
1
Pz =
T
T
∫ u(t)i(t)dt
0
b) u součástek složitější konstrukce (zesilovač, stabilizátor napětí aj.)
- je vhodnější určení Pz jako rozdíl výkonu přiváděného k obvodu Pin
a výkonu odevzdávaného obvodem Pout.
Pz = Pin − Pout
10
ϑC
ϑP
ϑch
ϑo
Rp - udáván v katalogu
Rch - pro danou konstrukci lze zjistit měřením
závisí na: velikosti plochy chladiče,
na její povrchové úpravě, poloze,
proudění okolního vzduchu
Zhruba platí, že 1 dm2 černěné plochy má teplotní odpor R = 6,5 KW-1.
11
Download

ELEKTROTECHNIKA I