Совершенного трансформатора

Систематизирование изложены современные технологии важнейших полупроводниковых материалов. Рассмотрены подготовка основных и вспомогательных материалов, выращивание однородно легированных монокристаллов с совершенной структурой, получение высокочистых поликристаллических полупроводников, эпитаксиальных слоев, гомо- и ге-тероструктур методами газовой и жидкостной эпитаксии, изготовление пластин и подложек.

•§ 6. Получение монокристаллов с совершенной структурой . . . 173

Это позволяет выращивать монокристаллы кремния большого диаметра (150 мм и более) с совершенной структурой без основного его дефекта — дислокаций.

Основные проблемы, возникающие при получении объемных монокристаллов полупроводников, связаны с сохранением чистоты исходного поликристаллического материала, получением монокристаллов оптимального диаметра и максимальной массы, обеспечивающих минимальную себестоимость готовой продукции, получением монокристаллов, обладающих максимально однородным распределением свойств по объему и с максимально совершенной структурой. Объемные монокристаллы должны обладать термостабильностью, обеспечивающей сохранение первоначальных их электрофизических свойств после термообработки изготовленных из нее подложек, которыми они будут подвергаться в процессах изготовления приборов. Для повышения выхода годных подложек, изготовляемых из объемных монокристаллов, последние должны иметь минимальный уровень термоупругих напряжений.

Методы выращивания однородно легированных по длине монокристаллов полупроводников с использованием подпитки кристаллизуемого расплава обеспечивают получение монокристаллов с совершенной структурой. Они могут служить основой непрерывных процессов получения монокристаллов полупроводников, обладающих высокой производительностью и стабильностью параметров продукции. Однако эти процессы требуют для своей реализации специали-

§ 6. Получение монокристаллов с совершенной структурой

Как уже говорилось выше, для получения эпитаксиального слоя с совершенной структурой необходимо, чтобы скорость адсорбции атомов полупроводника из газовой фазы на подложку /адс не превышала скорости встраива-

Растущий эпитаксиальный слой наследует дефекты подложки. Поэтому для получения эпитаксиальных слоев с совершенной структурой необходимо использовать подложки также с совершенной структурой, малым количеством структурных дефектов, имеющие гладкую поверхность без включений оксидов и механических загрязнений. Однако на подложках разлагающихся полупроводниковых соединений, например типа AlilBv, даже с хорошей структурой и поверхностью дефекты могут возникнуть при нагреве подложки перед приведением ее в контакт с расплавом. Для защиты поверхности подложки от разложения наиболее действенным средством является создание над нею равновесного давления пара летучего компонента, подаваемого в реактор в элементарной форме или в виде его соединения.

При автоэпитаксии дефектность структуры эпитаксиального слоя определяется структурным совершенством подложки и качеством ее поверхности. С увеличением шероховатости поверхности подложки плотность дислокаций в эпитаксиальном слое возрастает. Качество поверхности подложек из разлагающихся полупроводниковых соединений ухудшается в результате термической диссоциации, происходящей при нагреве подложки до высоких температур. Образующиеся вследствие этого на поверхности подложки ямки, заполненные легкоплавким компонентом, вызывают появление дефектов упаковки и дислокаций. Тем не менее при автоэпитаксии плотность дислокаций в эпитаксиальном слое примерно соответствует ее плотности в подложке. Поэтому получение эпитаксиальных слоев с совершенной структурой требует использования подложек с такой же структурой.

Технологический процесс должен обеспечивать получение эпитаксиальных слоев с заданными электрофизическими свойствами и совершенной структурой. Толщина и удельное сопротивление слоев должны быть одинаковыми по всей пластине, а также от пластины к пластине. Разброс значений этих величин не должен превышать 5%. Только в таких слоях распределение примесей может быть достаточно однородным, чтобы обеспечить высокий выход годных изделий. Высокотемпературную эпитаксиальную технологию при изготовлении приборов в ИМС с идеально резкими /?-«-перехода-ми следует заменять низкотемпературными процессами, т. е. переходить к использованию других исходных продуктов (например, SiH4 или к другим процессам осаждения).

Теория дислокаций впервые объяснила причину огромного различия теоретически рассчитанной прочности кристаллов с совершенной структурой и экспериментально определяемой прочности дефектных кристаллов. И. А. Одингом еще в конце 50-х годов была предложена гипотетическая зависимость прочности кристаллов от плотности дефектов, в частности дислокаций в кристаллах, в соответствии с которой один из путей повышения прочности, сопротивления сдвигу состоит в увеличении плотности дефектов решетки и их оптимального распределения в объеме материалов. Поскольку облучение быстрыми частицами является мощным способом создания целого комплекса дефектов решетки, оно и должно оказывать существенное влияние на механические свойства кристаллических тел.

только одна, так как первый является практически идеальным источником напряжения, а второй — тока. Для совершенного трансформатора (замыкание магнитных потоков, определяемых МДС i\w\ и fawz, и результирующего магнитного потока Ф только по сердечнику с постоянной магнитной проницаемостью ц) потокосцепление каждой из обмоток представляет функцию двух + ^fi2i2 и ^?2 = ^2212 + ^2^1, где Ln и L22 — собственные индуктивности обмоток / и 2, определяемые выражениями Ln = [xFi/t'i] ,-2=о и L22=[4f2/i2k=o а М\2 и M2i — их взаимные индуктивности, причем Mi2 = = [хЕ;1/Уг1=о и Mzi = [4?2/ii\ tf=o. Для рассматриваемого случая они одинаковы и равны Y L\\Ly^. Индуктивности L всегда положительны. Взаимоиндуктивности в зависимости от взаимного направления намотки обмоток / и 2 могут иметь разные знаки. При направлении намотки по 3.1 и направлении мгновенных токов 1\ и /г, когда они определяют (по правилу «штопора») вычитающиеся потоки, они отрицательны. Зажимы обмоток, соответствующие указанным условиям, называются одноименными и отмечены на 3.1 точками. Далее они обозначаются соответственно Я, н и К, к.

3.2. Условное изображение (а) и схема замещения (б) совершенного трансформатора

где величина &Tp = Lx/M носит название коэффициента трансформации. Как видно, в данном случае отношение напряжений не зависит от нагрузки ZH, а отношение токов зависит от ZH. Такой трансформатор называют совершенным. Для совершенного трансформатора коэффициент связи k = 1, а коэффициент рассеяния а = 0.

Выше был рассмотрен простейший метод реализации функции минимального активного сопротивления, который требует использования совершенного трансформатора. Имеются бестрансформаторные методы реализации, такие как методы Ботт-Даффина, Мията и др.

nu = nu = -T(JL2/rt = Ns/Nl = n. - (3.143) Здесь последние два равенства написаны с учетом соотношения (2.18) при условии, что индуктивности обмоток совершенного трансформатора пропорциональны квадрату числа витков. Формула (3.143) означает, что в рассмотренном трансформаторе напряжение трансформируется, как и в идеальном трансформаторе, в соответствии с равенством (2.23). Однако чтобы рассмотренный трансформатор стал идеальным, должны выполняться также условия L-*-oo, L2—>-оо, Д/—>-оо. Тогда в формуле (3.137) можно пренебречь сопротивлением _Zo2 и она преобразуется к виду (3.143):_п/ = л/ = и.

3.82. Для определения коэффициента трансформации и = N2/Ni совершенного трансформатора произведено шесть измерений. На постоянном токе измерены сопротивления обмоток RI и R2. На переменном токе в режиме холостого хода определены напряжение

3.91. Источник э.д.с. е = lOx/Tcos 106rB свнутренним сопротивлением RJ = 3 Ом соединен последовательно с емкостью Q = 0,25 мкФ ( 3.91). а) Определить нагрузочное сопротивление R = #opt, на котором рассеивается максимальная активная мощность. Вычислить эту мощность и к.п.д. источника, б) Изменить нагрузку таким образом, чтобы на ней рассеивалась мощность Ртах max- Определить параметры этой нагрузки, мощность Ртах max и к л.д. источника, в) При заданном значении R = 100 Ом осуществить согласование с помощью совершенного трансформатора без потерь. Определить его параметры L ь LI .

совершенного трансформатора М — x/Z^Z^ (см. 3.91о, б) и условие согла-100

от нагрузки ZH, а отношение токов зависит от ZH. Такой трансформатор называют совершенным. Для совершенного трансформатора коэффициент связи к= 1, а коэффициент рассеяния ст = 0.

только одна, так как первый является практически идеальным источником напряжения, а второй — тока. Для совершенного трансформатора (замыкание магнитных потоков, определяемых МДС i\W\ и izw2, и результирующего магнитного по-

Рис 3.2. Условное изображение (а) и схема замещения (б) совершенного трансформатора