Кремниевых интегральных

перехода их в зону проводимости. В результате в обеих областях увеличивается число пар свободных носителей заряда (основных и неосновных), т. е. дырок и электронов. Под действием контактной разности потенциалов (потенциального барьера) p-n-перехода неосновные носители заряда п-облас-ти — дырки — переходят в р-область, а неосновные носители заряда р-области — электроны — в «-область. Это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-э. д. с. Предельно возможное значение фото-э. д. с. равно контактной разности потенциалов, которая составляет десятые доли вольт. Так, например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-э. д. с. достигает 0,5—0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия —• 0,87 В.

к возрастанию дрейфовой составляющей тока через р-и-переход на некоторую величину, представляющую собой фототек /ф, т. е. /др = /0 + /Ф, где /0 — тепловой ток через p-n-переход [см. равенство 1.3]. Поскольку в области полупроводника р-типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области полупроводника «-типа — с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов с полярностью, указанной на 2.7, б, представляющая собой фото-ЭДС. Предельно возможное значение фото-ЭДС равно <рк. Например, у кремниевых фотодиодов фото-ЭДС достигает 0,5 — 0,6 В. Под воздействием фото-ЭДС в цепи нагрузки проходит ток (ключ К при этом замкнут).

Спектральная характеристика германиевых фотодиодов имеет максимум при К = 1,5 мкм, а кремниевых фотодиодов — соответственно при К = 0,9 мкм.

Основными параметрами светодиодов являются рабочее напряжение (десятки вольт); темновой ток (до десятков микроампер) ; интегральная чувствительность k - /ф/Ф (до 50-80 мА/лм). Максимуму спектральной характеристики кремниевых фотодиодов соответствует длина волны 0,6—1 мкм, германиевых — около 1,5 мкм.

германиевых 2 и кремниевых / фотодиодов показаны на 24, в.

Основными материалами для фотодиодов являются германий и кремний. Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны в узкой области спектра ( от К = 0,6 -т- 0,8 мкм до К = 1,1 мкм) с максимумом при К = 0,85 мкм, а германиевые фотодиоды имеют границы чувствительности Я, = 0,4 -Ь 1,8 мкм с максимумом при А, « 1,5 мкм. В фотодиодном режиме при напряжении питания 20 В темновой ток кремниевых фотодиодов обычно не превышает 3 мкА, в то время как у германиевых фотодиодов при напряжении питания 10 В он достигает 15—20 мкА.

В первом режиме используется фотогальванический эффект — разновидность внутреннего фотоэффекта, связанная с образованием разности потенциалов (фото-ЭДС) при освещении неоднородного полупроводника либо границы полупроводника с металлом (диод Шотки). Б этом случае фотодиод представляет собой фотогалз-ванический элемент, преобразующий лучистую энергию в электрическую. Предельно возможная величина фото-ЭДС равна контактной разности потенциалов, которая составляет десятые доли вольта. Так, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-ЭДС достигает 0,5 — 0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия 0,87 В.

Такое включение возможно также для германиевых и кремниевых фотоэлементов, называемых фотодиодами. Основные параметры германиевых фотодиодов типа ФД и кремниевых типа ФДК представлены в табл. 8-4 [Л. 286; 309]. Интегральная чувствительность германиевых фотодиодов достигает величины 30000 мка/лм. Чувствительность кремниевых фотодиодов ниже, но их свойства стабильнее. В этой же таблице приведены характеристики кремниевого фототриода типа ФТ-1.

Чувствительность кремниевых фотодиодов равна 3 мА/лм, германиевых — 20 мА/лм, сернисто-серебряных — 10—15 мА/лм. Фотодиоды обладают значительной инерционностью из-за конечного времени диффузии носителей заряда к р~п-переходу и прохождения их через область объемного заряда в р-п-переходе. Кроме того, на инерционность влияет также время зарядки емкости p-n-перехода. Частотные характеристики фотодиодов зависят от материалов, из которых они выполнены, а та.кже от толщины и площади p-n-перехода. Менее инерционны германиевые и кремниевые диоды. Существенным недостатком фотодиодов является зависимость их параметров от температуры.

характеристики может смещаться при изменении толщины базы и скорости поверхностной рекомбинации. Так, максимум спектральной характеристики кремниевых фотодиодов можно смещать в диапазоне от 0,6 до 1 мкм путем изменения их конструкции и технологии изготовления.

Квадрант IV семейства ВАХ фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода ( 5.45). По точкам пересечения ВАХ с осью напряжения можно определить значения фото-ЭДС (напряжения холостого хода /? = оо) при разных потоках Ф. У кремниевых фотодиодов значение фото-ЭДС равно 0,5—0,55 В. Точка пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания (R = Q). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, ко-

ся помещением кристалла внутрь герметичного металлического или пластмассового корпуса. Кроме того, применяют инертное покрытие кристаллов различными защитными лаками. Для защиты поверхности кремниевых интегральных микросхем и транзисторов используют двуслойные пленки, очень стабильные и прочные, из нитрида и диоксида кремния. В связи с этим оказалось возможным кремниевые приборы выполнять даже без защитного герметичного корпуса, закрывая кристалл полупроводника (после покрытия этой пленкой) светозащитной пластмассой.

Характерной особенностью кремниевых интегральных структур, созданных эпитаксиально-диффузионным способом, является большая разность концентраций примесей (2—3 порядка) с двух сторон р—« перехода. По этой причине объемный заряд р—п перехода распространяется практически только в сторону высоко-омной области. Такого типа р—/г переход является односторонним. Расчет его удельной емкости можно вести по формуле, полученной для ступенчатого перехода:

Резисторы в кремниевых интегральных схемах, получаемые технологией ионного легирования, имеют ряд преимуществ перед диффузионными: широкий диапазон значений удельного поверхностного сопротивления (если у диффузионных резисторов ps не превышает 500 Ом/кВ, то у ионно-легированных оно достигает 20 кОм/кВ, что особенно важно для получения резисторов высоких номиналов— свыше 100 кОм); высокая абсолютная величина допуска, что связано с точным контролем концентрации вводимых легирующих примесей; наименьшее значение ТКС по сравнению с резисторами других классов ( 9-9); линейность вольт-амперных характеристик, что объясняется значительно более низкой поД-вижностью носителей заряда вследствие Отжига при низких температурах и увеличением поверхностного сопротивления без повышения чувствительности к изменениям напряжения пробоя ( 9-10).

39. Основы технологии кремниевых интегральных схем. Окисление, диффузия, эпитаксия. Под ред. Р. М. Донована, М., «Мир», 1970. 450 с.

годаря внедрению микроэлектроники. МДП-транзисторы широко используются в кремниевых интегральных схемах, особенно в сверхбольших: микропроцессорах, микроЭВМ, электронных калькуляторах, запоминающих устройствах большой информационной емкости, электронных часах, устройствах медицинской электроники и др. Мощные МДП-транзисторы применяются в переключающих схемах. Транзисторы с управляющим переходом металл — полупроводник на арсениде галлия используются для создания сверхскоростных цифровых интегральных микросхем и в СВЧ-устройствах. Транзисторы с управляющим р-п-переходом на кремнии используются в основном как низкочастотные дискретные приборы. По принципу действия они практически не отличаются от транзисторов с переходом металл — полупроводник.

Термическое окисление. При производстве кремниевых интегральных микросхем по план арной технологии используется термическое -(высокотемпературное) окисление кремния в различных окислительных средах: в сухом и влажном кислороде и в парах воды ( 3.6).

При изготовлении .полупроводниковых интегральных микросхем диффузию примесей осуществляют следующими методами: в открытой трубе в потоке таза-носителя, в ампулах, в вакууме я бокс-методом. Для кремниевых интегральных микросхем диффузию часто проводят в две стадии. (Вначале на поверхности пластины создают относительно тонкий диффузионный слой с высокой концентрацией примеси, а затем пластину нагревают в атмосфере, не содержащей примеси, и в ней происходит перераспределение примеси из приповерхностного слоя. Этот способ диффузии имеет ряд преимуществ перед диффузией, проводимой в одну стадию: лучше осуществляются контроль параметров получаемого диффузионного профиля и воспроизводимость микросхем, так как на второй стадии можно, управляя процессом, вносить поправки для устранения

Наиболее ответственный эта-л изготовления МДП-микросхем — создание диэлектрического слоя под затворам, к которому предъявляются особые требования: высокая электрическая прочность (?>106 В/см), минимальная величина и стабильность зарядов в слое и др. В настоящее время изоляцию затвора в -кремниевых интегральных микросхемах на МДП-транзисторах осуществляют с помощью двуокиси кремния SiO2, которая обладает достаточной электрической прочностью в тонких слоях. Однако слой SiOa имеет довольно большой положительный объемный заряд, который необходимо стабилизировать в процессе изготовления и учитывать при расчетах.

Другим фактором, влияющим на надежность интегральных микросхем, является температура. Правда, благодаря особенностям технологии кремниевых интегральных микросхем ее влияние на их надежность гораздо меньше, чем иа некоторые другие полупроводниковые схемы, в особенности на германиевые. Многочисленные исследования позволили установить, что ощутимое изменение параметров интегральных микросхем начинается при температуре выше 300°С.

1,1. Основы технологии кремниевых интегральных схем. Перевод с англ, под ред. В. Н. Мордкович.а и Ф. П. Пресса. М., «Мир», Ii969. 451, с.

В настоящее время разрабатываются матрицы фотодатчиков контактного типа больших размеров с целью уменьшения размеров фототелеграфных передатчиков. Обычные фотодатчики, используемые сейчас в фототелеграфных передатчиках, представляют собой матрицы сенсоров, изготовленных по принципу зарядовой связи, которые интегрируются на кристаллах монокристаллического кремния. Поскольку промышленный выпуск кремниевых интегральных схем по мере роста размера кристалла снижается, необходимо стремиться к интеграции возможно большего числа фотодиодов на кристалле небольшого размера. Это приводит к уменьшению эффективной сенсорной площади каждого фотодиода, что уменьшает фоточувствительность. Более того, требования оптической системы уменьшить размер документов до размера фотодатчиков становятся все более жесткими по мере развития миниатюрных устройств. Возможно ухудшение периферийного разрешения из-за астигматизма линз и нельзя будет отказаться от длинного оптического пути в передатчике.