Диэлектрической постоянной

В качестве жесткого основания для крепления МПП — ПМ используют металлические пластины с диэлектрической изоляцией, что обеспечивает хороший теплоотвод ячейки.

Коммутационные платы (чаще всего одно-или двухслойные) на металлическом основании с диэлектрической изоляцией имеют большое значение при формировании мощных схем. Основными технологическими вопросами при формировании таких плат является подбор пары «металл —диэлектрик» по ТКЛР, обеспечение необходимой адгезионной прочности сцепления диэлектрического слоя к металлу по всей поверхности платы, достижение хорошего качества покрытия на металле (отсутствие шероховатости, трещин и других дефектов поверхности, отрицательно влияющих на качество наносимых пленочных покрытий). Большое применение находят металлические пластины из стали, покрытые эпоксидной смолой или легкоплавким стеклом. Однако оптимальные показатели имеют подложки из анодированного алюминия (табл. 3.1). Чаще всего для оснований используется не чистый, сравнительно мягкий алюминий (например, марки АД-1), а механически прочные алюминиевые сплавы. Однако основные легирующие добавки в этих сплавах должны, как и алюминий, легко подвергаться анодному оксидированию. Сплавами, которые обеспечивают необходимую прочность пластины (не менее 20 ГПа), являются сплавы алюминия с магнием (типа АМГ). Кроме того, для доведения поверхности пластины до 13—14-го классов чистоты отработки (например, шлифовкой, полировкой или резкой алмазными кругами) с последующим анодированием второго рода сплавы должны иметь хорошую однородность структуры и состава по всей пластине. Поэтому большое содержание легирующих добавок магния нежелательно; оптимальным является использование сплава АМГ-3, который содержит 3,2—3,8 % магния, 0,3—0,6 % марганца и 0,5—• 0,8 % кремния. Для анодирования приемлемым является комбинированный электролит на основе щавелевой кислоты, с помощью которого получают менее рыхлые пленки с приемлемыми изоляционными свойствами по сравнению с сильнорастворяющим электролитом (на основе серной кислоты). Однако этот электролит в отличие от малорастворяющего (на основе сульфасалициловой кислоты) позволяет создавать большие толщины оксида (40—60 мкм) при плотности тока 1—2 А/дм2. Значительная плотность пор диэлектрика, присущая методу анодирования второго рода, является и положительным моментом — предохраняет от растрескивания слой А12О3 при повышении (понижении) температуры, когда возникают значительные ВН из-за большого различия в ТКЛР сплава алюминия и А12О3. Для того чтобы подложки выдерживали температуру 250—300° С, плотность

ных окон к базовым и эмиттерным областям, шестой — для образования первого уровня металлизации, седьмой— для формирования переходных окон из первого слоя металлизации во второй, восьмой — для образования второго уровня металлизации. Такое число фотошаблонов необходимо, но в ряде случаев недостаточно для некоторых типов биполярных ИМС. Например, для уменьшения коллекторного сопротивления формируют высоколегированную область между скрытым слоем и коллекторным контактом, что увеличивает число фотошаблонов на один. Необходимое число фотошаблонов может превысить обязательное вдвое. Вид изоляции в основном определяет конкретную схему ТП. Поэтому классификационным признаком принято считать вид изоляции компонентов. По данному признаку биполярные ИМС подразделяют на ИМС с изоляцией /?-п-переходом, ИМС с комбинированной изоляцией и ИМС с полной диэлектрической изоляцией. Каждый из видов изоляции имеет множество разновидностей и модификаций.

В описанных структурах с полной диэлектрической изоляцией в качестве подложки применяют поликристаллический кремний. Существует метод изоляции, при котором подложкой является стеклянная пластина. Сущность метода заключается в том, что пластина кремния с полностью изготовленными ИМС, защищенными слоем SiO2, припаивается этим слоем к стеклянной пластине. После этого участки полупроводникового материала между ИМС удаляются. Недостатками метода являются необходимость точного совмещения и сложный процесс травления.

В БТ с боковой диэлектрической изоляцией такой необходимости нет. Структура является самосовмещенной. Недостатком данного метода комбинированной изоляции является ограниченный набор компонентов, который может быть реализован в БИС (БТ с вертикальной структурой и эпи-таксиальными резисторами, критичными к толщине пленки).

В структуре, приведенной на 3.27,6, произведено совмещение контактов к коллекторным областям с элементами внутрисмежных соединений, выполненных из поликристаллического кремния. В сочетании с боковой диэлектрической изоляцией, служащей жесткой маской, удается уменьшить не только абсолютные значения площадей р-л-переходов, но и отошение площади змиттерного /?-п-перехода к площади коллекторных /7-п-переходов, а

следовательно, и коэффициент усиления переключательного транзистора. Проектируются структуры, в которых стремятся увеличить эффективность цепи питания при одновременном увеличении плотности компоновки. К таким структурам относятся структура с самосовмещенным инжектором (3.27,в) и структура с вертикальным р-п-р-транзистором, охватывающим пассивную часть базовой области переключательного транзистора (3.27,г). Следует отметить, что самосовмещенный инжектор используется и в структурах с боковой диэлектрической изоляцией (3.27,г). Стремление повысить нагрузочную способность инжекционной логики приводит к созданию структур с эмиттером переключательного транзистора, выполненным в виде скрытого я+-слоя специальной конфигурации. В подобных структурах п+-слой располагают только под коллектором переключательного транзистора, чем достигается рациональное распределение инжектированных в базу неосновных носителей заряда и повышение инверсного коэффициента усиления переключательного транзистора. Увеличение инверсного коэффициента усиления переключательного транзистора достигается также уменьшением толщины и концентрации примесей в базовой области под коллектором.

применяют диэлектрическую изоляцию отдельных областей в кристалле с использованием двуокиси крем- ( ния. Двуокись кремния обладает хорошими изолирующими свойствами и малой диэлектрической проницаемостью. Схематическое устройство участка микросхемы с диэлектрической ИЗОЛЯЦИеЙ Показано рис ,, 3. Транзистор с балочными вы-на 11.2. Не останавливаясь под- водами:

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, изопланарный, эпипланарный, полипланар-.ный; метод вертикального изотропного травления; методы изоляции воздушным зазором с помощью диэлектрического основания, балочных выводов, кремния на сапфире или шпинели.

Диэлектрическая изоляция интегральных элементов иногда создается с помощью стекла, ситалла или керамики. При этом в технологическом процессе используется вспомогательная пластинка. На монокристаллической подложке га+-типа эпитаксиаль-но-диффузионным способом формируют элементы микросхемы, которые методом локального травления разделяются на меза-области. К поверхности последних приклеивают вспомогательную пластинку, а л+-подложку ошлифовывают до получения раздельных элементов. В полученной структуре промежутки между компонентами заполняют диэлектриком. После этого вспомогательную пластинку удаляют. Готовая структура транзистора с полной диэлектрической изоляцией изображена на 1.8.

Наряду с биполярными транзисторами, изолированными р-п переходом, применяют биполярные транзисторы с диэлектрической изоляцией. Основные отличия структуры такого транзистора, представленной на 3.4, от рассмотренной выше (см. 3.1) состоят в том, что транзистор размещают в кармане, изолированном со всех сторон от подложки из поликристаллического кремния тонким диэлектрическим слоем диоксида кремния. Качество такой изоляции значительно выше, так как токи утечки диэлектрика на много порядков меньше, чем р-п перехода при обратном напряжении; Удельная емкость диэлектрической изоляции меньше, поскольку диэлектрическая проницаемость диоксида кремния приблизительно в 3 раза ниже, чем кремния, а толщина диэлектрического слоя может быть выбрана больше толщины изолирующего р-п перехода.

Аналогично тому как световые волны отражаются от окружающих предметов (благодаря чему предметы становятся видимыми нами), радиоволны, излученные антенной, отражаются от Земли, если антенна находится на некотором от нее расстоянии. На 1.7, а показаны лучи (направление распространения поля), идущие от антенны А, расположенной над земной поверхностью. Луч, падающий в точку О\ (или Ог, О3), отражается от Земли по законам оптики (угол падения равен углу отражения). Поскольку Земля является не идеальным «зеркалом» и обладает определенными электрическими характеристиками (проводимостью о и диэлектрической постоянной ег), то напряженности полей до отражения Е\ и после от-

Вода обладает очень высокой диэлектрической постоянной, равной при 0°С — 87,7. Это означает, что сила взаимодействия зарядов, помещенных в воду, ослабевает почти в 90 раз (вспомните закон Кулона, где в формуле, описывающей взаимодействия зарядов, диэлектрическая постоянная е находится в знаменателе дроби).

В биологических двигателях создать высокую концентрацию электрического поля легче, чем магнитного, так как могут использоваться жидкости с большой диэлектрической постоянной, поэтому емкостные электрические машины играют основную роль в электромеханическом преобразовании энергии в живых организмах.

4. Емкостные датчики, емкость которых меняется в зависимости от геометрического перемещения пластин конденсатора или вследствие изменения диэлектрической постоянной диэлектрика, расположенйфго между пластинами. ;

Обедненный носителями заряда слой пространственного заряда обладает электрической емкостью, так как он подобен диэлектрику, заключенному между двумя проводящими обкладками, роль которых выполняют л- и р-области, примыкающие к слою пространственного заряда. Емкость конденсатора пропорциональна относительной диэлектрической постоянной диэлектрика (в данном случае — полупроводника, например кремния), площади его обкладок (площади р-л-перехода) и обратно пропорциональна толщине диэлектрика (толщине области пространственного заряда ОПЗ). Поскольку толщина слоя пространственного заряда зависит от напряжения U, емкость р-л-перехода также зависит от U: при изменении Uor прямого к обратному емкость падает.

где pi/ — удельное сопротивление пленки диэлектрика; т — время релаксации; ев и ен — значения относительной диэлектрической постоянной на высоких и низких частотах.

1. По заданной технологии и данным табл. 4.3 выбирают материал диэлектрика. Критериями выбора материала являются максимальные значения е, ?пр и минимальные значения ТКС, tg ол, /Сет с. Отметим, что на выбор материала диэлектрика существенно влияет область применения ИМС. Так, конденсаторы на основе ИБС и АСС, которые обладают наибольшей диэлектрической постоянной е, применяют в линейных ИМС на частотах до 10 МГц, когда требуется высокая степень интеграции, повышенная стабильность параметров и надежность в эксплуатации. В ИМС частотной селекции и БИС, работающих при высоких температурах, целесообразно использование конденсаторов на основе БСС, которые обладают наименьшим ТКС и наибольшими значениями Q, Епр в широком диапазоне частот и температур.

Емкостный датчик ( 10.10), помещенный в бак с топливом, которое имеет абсолютную диэлектрическую проницаемость еот, образован двумя коаксиальными трубками. Топливо свободно проникает в промежуток между этими трубками; следовательно, емкость конденсатора зависит от еат- Так как значение диэлектрической постоянной е0 воздуха значительно отличается от значения ейт, то при изменении уровня жидкости в баке изменяется емкость конденсатора, образованного концентрическими трубками. Нетрудно заметить, что емкостный измеритель уровня проще и надежнее в эксплуатации, чем изображенный на 10.4.

Для линейных диэлектриков, к которым относится бэльшинство используемых в технике материалов, диэлектрическая проницаемость лишь в несколько раз больше диэлектрической постоянной

Чтобы получить емкостные машины, по своим показателям приближающиеся к индуктивным электрическим машинам, надо электрическое поле концентрировать в веществе с большой диэлектрической постоянной е. Применять в конструкции диэлектрики с е** «8-^-10000, такие как титанат бария, дигид-рофосфат калия и др. Если в индуктивных машинах энергия магнитного поля концентрировалась в воздушном зазоре, то в емкостных машинах она должна концентрироваться в жидких или твердых диэлектриках.

Емкостная машина представляет собой конденсатор, емкость которого изменяется за счет того, что между обкладками перемещается диэлектрик 5 с большой диэлектрической постоянной е. При изменении емкости С изменяется ток в электрической цепи i—dq/dt, где 9 —заряд цепи. При настройке обеих машин в резонанс, когда coo» l/l^iC и (OoL= 1/а>оС, имеет место электромеханический резонанс. При этом частоты механических и электрических колебаний равны друг другу. При резонансе энергетические характеристики машины наилучшие. Для создания магнитного и электрического полей в этой машине не требуется реактивная мощность от постороннего источника, при резонансе происходит обмен реактивной мощностью между индуктивной и емкостной машинами. В зависимости от характера нагрузки следует учитывать и реактивную мощность нагрузки. Индуктивно-емкост-