Конструктивно-технологические особенности структуры диодов.

Конструктивно-технологические особенности электрических переходов разделяют диоды на точечные, сплавные, микросплавные, диффузионные, эпитаксиальные, с барьером Шотки, поликристаллические и другие типы.

У точечных диодов электронно-дырочный переход образован контактом заостренной металлической иглы, например из сплава вольфрама с молибденом, с полупроводниковым кристаллом кремния, германия, арсенидо-галлия и других материалов. Свойства окружаю-щей среды, чистота поверхности кристалла и механические условия контактирования определяют в значительной мере электрические параметры диодов и его ВАХ. Слой p-типа образуется в кристалле полупроводника в результате термодиффузии акцепторных примесей (например, индия или алюминия в германий n-типа) с конца металлической иглы, возникающей под воздействием больших импульсов тока, пропускаемых через контакт. Линейные размеры перехода точеч-ного диода соизмеримы с толщиной его обедненной области. Площадь контакта менее 50 мкм², поэтому емкость перехода мала, а прямые токи через переход не превышают десятков миллиампер. Область p-типа под контактом геометрически неоднородна, и обычно в ней сосредоточено наибольшее количество дефектов кристаллической структуры. Сильное электрическое поле в области контакта способствует появлению значительных токов утечки и генерации.

Структура электронно-дырочного перехода сплавных диодов образуется вплавлением в кристалл полупроводника n-типа сплава с акцепторной примесью, например индия в германий, алюминия в кремний и т. п. В кристалле полупроводника n-типа подвижность электронов в 2 - 2,5 раза больше, чем дырок в p-полупроводнике. Поэтому при одинаковой электропроводности полупроводников p- и n-типа концентрацию доноров в кристалле – базе диода можно уменьшить и тем самым повысить пробивное напряжение перехода. Этим обусловлен выбор в диодах в качестве базы кристалла полупроводника с электронной проводимостью. При изготовлении кремниевых сплавных диодов, в кремний вплавляется тонкая алюминиевая проволока при температуре 600-700ºС. В месте сплава формируется тонкий обогащенный алюминием рекристаллизованный слой кремния с той же кристаллической структурой, что и исходный полупроводник, но с проводимостью p-типа. Между рекристаллизованным слоем (толщиной в несколько микрометров) и монокристаллом возникает p-n-переход, граница которого указана на рисунке штриховой линией.

Электронно-дырочные переходы сплавных диодов – резкие или ступенчатые. Они пропускают прямые токи до десятков ампер. Из-за большой площади переходов их емкости относительно велики. У микросплавных диодов несколько больший по площади p-n-переход, чем у точечных. Электрический переход микросплавных диодов с золотой связкой формируется методом микровплавления в кристалл германия тонкой золотой проволочки с присадкой галлия на конце. Под контактом образуется рекристаллизованный слой германия p-типа (p-n-переход показан штриховой линией). В данном случае используется метод импульсной сварки: через контакт пропускается импульс тока большой амплитуды. Иногда диоды подобного типа называют сварными.

У диффузионных диодов электрический переход изготавливается методом общей или локальной диффузии донорных и акцепторных примесей в кристалл полупроводника. Диффузию можно проводить однократно и многократно. Например, структура электрического перехода кремниевого диода p+-p-n-n+-типа изготавливается методом общей многократной диффузии. Область p-типа формируется диффузией акцепторной примеси – алюминия в кремниевую пластину n-типа, а область n+-типа – диффузией в эту же пластину фосфора – донорной примеси. Для образования p+-области проводится вторая диффузия бора в p-область. Омические контакты с p+- и n+-областью структуры изго-тавливают химическим осаждением никеля и последующим галь-ваническим золочением.

При изготовлении германиевых диффузионных диодов выбирается пластина германия p-типа, т.к. донорные примеси по сравнению с акцепторными лучше диффундируют в германий. В качестве диффузанта используется сурьма. Для формирования омического контакта с n-областью диффузионной структуры применяется оловянный припой с присадкой сурьмы. Омический контакт с p-областью германия образует вплавленный в эту область индий.

Для уменьшения емкости p-n-перехода в высокочастотных диффузионных диодах используется мезаструктура, получаемая методом глубокого химического травления. В результате первой общей диффузии создается n+-Si-слой в кристалле n-типа. После второй общей диффузии, формирующей p-слой в кристалле кремния, образования омического контакта и защиты отдельных участков кристалла через маску осуществляется травление поверхности его незащищенных участков. В результате p-n-переход остается только на небольших участках кристалла под омическим контактом. Участки возвышаются над поверхностью кристалла в виде стола (меза – по испански). Диаметр p-n-перехода после травления уменьшается до нескольких десятков микрометров. Емкость p-n-переходов мезадиодов ниже, а напряжение пробоя выше, чем у сплавных и микросплавных диодов.

При диффузии получается неравномерное распределение примесей вдоль координаты, перпендикулярной поверхности кристалла. Концентрация диффузанта с глубиной падает, поэтому у диффузионных диодов с плоскостным и сплавным p-n-переходом в базе появляется тормозящее электрическое поле.

Эпитаксиальные (планарные, эпитаксиально-планарные) диоды изготавливаются с использованием процесса эпитаксии и локальной диффузии.

Эпитаксией называется процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, используемую как несущая конструкция структуры. В наращиваемом слое сохраняется кристаллическая ориентация подложки. Эпитаксия позволяет выращивать слои любого типа проводимости и удельного сопротивления толщиной в несколько микрометров. Однако p-n-переход создается в большинстве случаев диффузией примесных атомов в эпитаксиальный слой через окно в маске (например, из оксида кремния SiO²). Омические контакты с p+- и n+-областями кристалла создаются операциями металлизации. В кремниевых диодах для создания омических контактов широко используется алюминий.

Планарные или планарно-эпитаксиальные диоды имеют «поверхностную» структуру, а выводы контактирующих областей электрического перехода расположены в одной плоскости. Электрический переход создан в поверхностном слое кристалла толщиной порядка единиц и десятков микрометров от его поверхности. При изготовлении структуры на подложку кремния n-типа наращивается эпитаксиальный слой n-типа. Затем, через окна защитной маски из оксида кремния в нем формируются несколько p+-областей диффузией бора, после чего осуществляется металлизация выводов от общей базовой и эмиттерных областей. Таким образом изготовляется диодная матричная планарно-эпитаксиальная структура.

Широкое распространение получают ионно-лучевые методы изготовления электрического перехода диода. При ионной имплантации легирование пластины полупроводника осуществляется бомбардировкой примесными ионами, ускоренными до высоких энергий. Концентрация примесей в имплантированном слое зависит от плотности тока в ионном луче и времени экспозиции. Высокая контролируемость процесса и низкая температура позволяют проводить ионную имплантацию на любой стадии процесса изготовления диода. Глубина проникновения ионов в полупроводник зависит от их энергии. Изменяя энергию ионов, можно обеспечить сложный закон распределения примесей по глубине. На подложке кремния n+-типа выращен эпитаксиальный n-слой, в котором ионной имплантацией создана p+-область. Омические контакты получены химическим осаждением сначала титана, а затем никеля на полупроводниковую пластину с обеих сторон.

Диоды с барьером Шотки в большинстве случаев изготавливаются напылением металла на очищенную поверхность кристалла в вакуумной среде, химическим осаждением металла на полупроводник или с помощью высокочастотного ионного распыления металла. В качестве подложки используется кремний, арсенид галлия. Электрические свойства перехода зависят от подобранной пары металл-полупроводник. В качестве контактирующего металла выпрямляющего перехода применяют алюминий, золото, молибден и др.

Кроме рассмотренных структур плоскостных диодов широко используются комбинированные структуры: эпитаксиально-диф-фузионные, диффузионно-сплавные, меза-сплавные и др.

Особую группу диодов составляют селеновые и титановые диоды. Электронно-дырочный гетеропереход селеновых выпрямителей образован селеном с проводимостью p-типа и селенидом кремния с проводимостью n-типа, а гетеропереход титановых выпрямителей диоксида – слоем титана n-типа с напыленной в вакууме металлической пленкой (золото, серебро, висмут). Образование электрического перехода в селеновых выпрямителях происходит в процессе химической реакции при нанесении кадмия на селен.

Диоды выпускаются в различном конструктивном оформлении: металлокерамическом, стеклянном, керамическом, металлостеклянном, металлопластмассовом, пластмассовом корпусе с гибкими и жесткими выводами, а также на керамических микроплатах в бескорпусном исполнении с защитным покрытием и гибкими выводами. Корпус защищает электрический переход от вредных факторов окружающей среды [2, 12].