XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Диод Шоттки, фотодиод и транзистор, полученные напылением наноразмерных плёнок в вакууме
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение
Цель данного проекта – разработка и изготовление действующих моделей полупроводниковых приборов: диода Шоттки, биполярного транзистора и фотодиода. Задачи – изучение основ конструирования данных приборов, разработка конструкций действующих моделей, их изготовление с применением нанотехнологий и исследование характеристик полученных изделий.
Объекты исследования – диоды Шоттки, транзисторы и фотодиоды, изготовленные путём нанесения наноплёнок. Предмет исследования – вольтамперные и другие технические характеристики полученных изделий. Гипотеза – реальность самостоятельных разработок полупроводниковых приборов в условиях творческого объединения для школьников. Методы исследования: для осуществления поставленных задач был изучен соответствующий теоретический материал и проведены серии экспериментов вначале с промышленными аналогами выбранных для изучения и изготовления полупроводниковых приборов. Полученные результаты подвергались анализу с целью создания нового продукта – действующих моделей: диода Шоттки, биполярного транзистора и фотодиода. Изготовленные модели проходили исследования, результаты которых фиксировались с помощью фотографий, рисунков и таблиц. При работе над проектом использованы учебники по общей и прикладной физике, литература по полупроводниковым приборам. Выбранная тема достаточно актуальна, так как полупроводниковые приборы – основа современной электроники. Практическая значимость проекта: материал может быть применён для обучения основам технологии изготовления полупроводниковых приборов. То есть в данном случае произведены адаптация и упрощение реальной технологии изготовления выбранных приборов до уровня, позволяющего обучающемуся понять происходящие процессы и выполнить действия необходимые для создания действующей модели.
Новизна работы: разработана технология изготовления действующих моделей диода Шоттки, фотодиода и биполярного транзистора адаптированная к учебному процессу. При этом процесс изготовления шёл с применением вакуумной техники и основ нанотехнологии.
2. Что такое нанотехнология
«Нанотехнология – это область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретических обоснований, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами» [1].
Перечислим способы получения наноматериалов.
● использование дугового разряда в плазме между графитовыми электродами для получения фуллеренов, то есть молекулярных соединений в виде выпуклых замкнутых многогранников, состоящих из трёхкоординированных атомов углерода, и углеродных нанотрубок. Трубки – аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую структуру цилиндрической формы диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от 1мкм до нескольких см.
● газофазный метод для получения фуллеренов при высоких температурах;
● разложение углеводородов при высоких температурах и участии катализаторов;
● порошковая технология;
●методы прессования и деформации;
● методы химического осаждения плёночных покрытий;
● методы физического осаждения плёночных покрытий.
В данной работе рассматривается и применяется для получения готовых изделий физическое осаждение плёночных покрытий. Это происходит в вакуумной установке, где производится термовакуумное напыление различных металлов, атомы которых, вылетая из испарителя, конденсируются в виде наноплёнок. Наноплёнка – покрытие, представляющие собой один или несколько слоев какого-либо материала на поверхности подложки (толщина слоя не превышает 100 нм).
Фуллераны – рис. 1 а, б, углеродная трубка – рис.2, наноплёнка – рис. 3.
Вещества в таких состояниях могут обладать новыми свойствами.
3. Краткие сведения об электрическом токе в полупроводниках
Собственная проводимость. При нагревании наступает разрыв ковалентных связей (рис.4а), появляются свободные электроныи вакантные места с недостающим электроном – дырки (рис.4 б). Ток обусловлен электронной и дырочной проводимостью.
Примесная проводимость. Донорные примеси (рис.4 в) отдают электроны. Электроны – основные носители заряда, дырки – неосновные. Полупроводник – n-типа. Акцепторные примеси– принимающие. Полупроводник р – типа. Основные носители заряда – дырки, а неосновные – электроны (рис.4 г) [2, 3].
Контакт двух полупроводников (p − n - переход) обладает односторонней проводимостью (и полупроводник- металл).. При его образовании (рис.5 а–в) основные носители заряда диффундируют в соседнюю область с другим типом проводимости и препятствуют дальнейшему проникновению носителей заряда того же знака. В полупроводниковых диодах и фотодиодах один р – n - переход, в транзисторе − два.
4. Используемая установка термовакуумного напыления наноплёнок
В основе процесса нанесения тонких пленок в вакууме лежит создание потока частиц, направленных преимущественно в сторону подложки, с последующей их конденсацией на поверхности и зародышеобразованием, приводящем к появлению сплошных тонкопленочных слоев на покрываемой поверхности. Процесс нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме состоит из нескольких этапов. Это – получение вакуума необходимой глубины; качественная очистка поверхности подложки; контролируемое создание потока частиц, подлежащих осаждению; перенос частиц от испарителя до подложки; конденсация частиц на поверхности подложки; отжиг подложки для снятия термических напряжений; остывание подложки с пленкой в вакууме для предотвращения термического удара перед извлечением из установки.
Один из простых методов нанесения вакуумных функциональных покрытий – термическое напыление, при котором испаренные и распыленные частицы вещества переносятся через вакуумную среду на подложку.
Общий вид установки термовакуумного напыления - рис. 6.
● Блок питания – рис 7 а. необходим для регулирования температуры прямонакальных резистивных испарителей (рис. 7 б) предназначенных для испарения различных веществ, учитывая их свойства. Блок даёт от 0 до 10 В при силе тока до 100 А.
● Вакуумная камера (рис. 8 а, б) и вакуумная магистраль. Детали камеры:
1. Опорная плита; 2. Колпак; 3. Вакуумная магистраль; 4. Защитная сетка для магистрали; 5. Токовводы испарителя; 6. Токовводы нагревателя подложки; 7. Испаритель из тугоплавкого металла; 8. Испаряемое вещество; 9. Подложка; 10. Нагреватель подложек; 11. Фиксаторы подложки; 12. Уплотнитель
●Микропроцессорный вакуумметр, куда входит датчик абсолютного давления. Для него написана программа. Она преобразует показания датчика и выводит их на дисплей.
На рис.9 показаны плёнки различных металлов.
5. Полупроводниковые приборы: диоды, транзистор и фотодиод
Работа по изучению и изготовлению полупроводниковых приборов проходила от простого к сложному. При этом изготавливался контакт металл - полупроводник [4]. Это диод с барьером Шоттки [5].
Полупроводниковый диод [2] – прибор, который хорошо пропускает ток одного направления и плохо – другого. Это пластинка с областями р- и n-типа и р–n - переходом между ними. Вольтамперная характеристика диода и состояние р–n- перехода – рис.10.
Биполярный транзистор (рис.11) - радиоэлектронный компонент, позволяющий входным сигналам управлять током в цепи. Используется для усиления, преобразования и генерирования сигнала и как электронный ключ. Принцип действия транзистора: одна цепь управляет другой [3]. Он состоит: эмиттер, база, коллектор.
Фотодиод –приёмник оптического излучения, преобразующий за счёт процессов в p–n- переходе, поступающий в его светочувствительную область свет в электрический заряд. При воздействии света в базе появляются свободные носители заряда из-за разрыва связей. Заряды устремляются к границе p–n-перехода. Ток определяется неосновными носителями. Фотодиод работает в двух режимах: фотогальванический – это солнечная батарея и фотодиодный – с внешним обратным напряжением (датчик освещенности). Есть фотодиод Шоттки [6]. Рис.12 а - г – условное обозначение, внешний вид, схема для экспериментов и график зависимости чувствительности фотодиода от длины волны света.
6. Изготовление полупроводниковых структур, используя контактные маски
Предварительно рассмотрим методику оценивания толщины напыляемых плёнок.Толщина плёнки h, полученной методом наслаивания, определяется как h=V/S. На рис.13: а) распределение испаряющегося вещества в пространстве, учитывая; б) угол падения вещества на подложку; в) расстояние до неё.
При разлёте вещества по полусфере радиуса R толщину плёнки определяют как
h==.
Если рассматривать напыление на подложку, которая перпендикулярна пучку атомов, то толщина плёнки будет толще в средней части (рис.14- гауссово распределение), так как чем дальше от края, угол падения «лучей» увеличивается и количество атомов, попадающих на квадратную единицу поверхности, уменьшается. То есть, если подложку поставить дальше, то плёнка будет с меньшим градиентом толщины. Если пластина стоит под углом к пучку (рис. 15 а, б), то формула для толщины плёнки учитывает угол наклона α (угол между подложкой и пучком – рис. 15 в).
h= sinα.
Из приведённых формул видно, что толщина плёнки обратно пропорциональна квадрату расстояния от испарителя до подложки.
В начале выполнялся простой вариант – диод с барьером Шоттки с одним выпрямляющим переходом, затем фотодиод и заключительный этап – транзистор с двумя переходами. Для этого использовались кремниевые пластины (рис. 16 а -в) и контактные маски (рис. 16 г).
То есть метод изготовления заключается в напылении наноплёнок через контактные маски.В процессе работы осуществляется контроль результатов экспериментов.
6.1. Получение выпрямительной полупроводниковой структуры с барьером Шоттки
Полупроводниковый диод с малым падением напряжения назван диодом Шоттки в честь немецкого учёного Вальтера Шоттки. Вместо p–n- перехода используется переход металл – полупроводник. Эти диоды изготавливают на основе Si, Ge, AsGa и др. [4].
Процесс изготовления: на полированную пластину низкоомного кремния (10 Ом) р- типа (Si, легированный бором), диаметром 60 мм методом термовакуумного испарения нанести омический и выпрямительный контакты. Форма и площадь контактов определяется контактной маской. Контакты: омический - слой серебра и выпрямляющий - слой Ni (толщиной по 0.06 мкм).
После изготовления полупроводниковой структуры и установки ее в корпус с нее снята вольтамперная характеристика, подтверждающая одностороннюю проводимость.
Пластину промывают в дистиллированной воде и обезвоживают в изопропиловом спирте. И устанавливают в вакуумной камере. В процессе откачки был проведен цикл ионно-плазменной очистки подложки высоковольтным разрядом между специальными электродами внутри камеры. На пластину были последовательно напылены: 1. Слой серебра толщиной 0,06 мкм на одну сторону. 2. После перезагрузки камеры – слой Ni толщиной 0.06 мкм на другую. Диод – рис. 17 а, б. Структура диода – рис. 18.
ВЫВОДЫ: Измерением ВАХ установлено, что полученная структура обладает односторонней проводимостью. Форма и площадь областей металлизации обеспечивалась контактными масками.
6.2. Изготовление фотодиода
Изготовление структуры кремниевой пластины (диаметр 76 мм). Установка масок и напыление Ni, золота - рис. 19. Собранный фотодиод (рис. 20 а, б). Свет должен поступать на фотодиод со стороны прозрачного первого слоя Ni. Полученная структура фотодиода – рис. 20 в. Двойной слой Ni необходим для обеспечения обязательных условий: 1) оптическая прозрачность; 2) возможность съема тока с никелевой плёнки. Условию №1 отвечает тонкий слой равномерного запыления Ni- окна в о -образной маске. Условие №2 обеспечивает второй слой Ni, напыляющийся в зазор между двумя масками, центральным отверстием и радиусной щелью в с-образной маске. Внешний контакт из фольги (Al) подключён к месту соединения кольцевого слоя и полоски Ni по радиусу. Эксперименты с фотодиодом и люксметром – рис. 21, таблица 1.
6.3. Изготовление транзистора и исследование его электрических характеристик
В качестве основы использована пластина диаметром 60 мм из кремния p- типа, легированного бором. Корпус изготавливали на фрезерном и токарном станках. Вначале нанесли слой серебра. Это - «База». Контакт невыпрямляющий – омический. Для создания необходимых областей с четкими границами применялись контактные маски. Контакт «База» расположен по внешнему краю пластины. Толщина Ag - 10 мкм. Этого достаточно для механической прочности пленки и ее надежного контакта с кремнием. Следующий этап: эмиттерный переход. Метод тот же: термовакуумное напыление (Ni). Эмиттер имеет меньшую площадь, чем коллектор, и он будет на той же стороне пластины, где был изготовлен контакт «База». Использовали контактную маску, закрывающую край пластины, оставляя свободной центральную часть. Слой никеля толщиной 1 мкм достаточен для формирования механически прочной пленки, имеющей надежный контакт с Si. Более толстый слой будет отслаиваться в результате преобладания сил поверхностного натяжения перед силами адгезии [7, 8].
Контакт «Коллектор» имеет площадь, большую, чем «Эмиттер». Он создавался на обратной стороне пластины. Далее подклеили контакты из алюминиевой самоклеящейся фольги. Изготовление транзистора – рис. 22. Готовая структура («сэндвич» – рис. 23) помещена в корпус – рис. 24.
Биполярный транзистор с барьерами Шоттки собран и готов к снятию характеристик. Результаты экспериментов: одна из полученных таблиц (таблица 2). Проводились испытания транзистора с нагрузкой в виде лампы на 6 вольт. При подаче на транзистор отпирающего потенциала, лампа начинала светиться, когда подавали 25 В. Ниже данного значения – свечения лампы не было.
Проведённые измерения показали влияние света на электрическое сопротивление переходов. Наиболее сильно реагирует эмиттер: освещаем прямой переход – сопротивление резко падает за счёт разрыва ковалентных связей и появления дополнительных свободных носителей заряда. Для обратных переходов при освещении зафиксировано увеличение сопротивления. Это можно объяснить влиянием напыленного металла. В дальнейшем предполагается разобрать эти процессы с теоретической точки зрения более подробно. Также автор считаем необходимым продолжить эксперименты по изготовлению фотодиодов и транзисторов согласно разработанной технологии их получения. При этом для более широкого спектра экспериментальных данных предназначенных для дальнейших исследований необходимо менять толщину плёнок, выбирая при этом для напыления и другие металлы. Можно взять другой полупроводник.
7. Заключение
Авторами для изготовления приборов был выбран вариант с использованием доступных технологий, а именно, термовакуумное напыления с использованием масок. Предварительно были проведены эксперименты по изготовлению более простых изделий с одним выпрямляющим переходом (диод Шоттки и фотодиод), что позволило лучше разобраться в технологии изготовления и внести необходимые коррективы. С полученными действующими моделями были проведены исследования, что представлено таблицами и ВАХ. Опыты показали работоспособность приборов, предназначенных для наглядной демонстрации их устройства и принципов действия. Их можно использовать в учебных заведениях различного уровня, а также в работе технических кружков, повышая доступность изучаемого материала. Новизной работы следует считать то, что авторами разработана технология изготовления действующих моделей диодов и транзистора, адаптированная к учебному процессу. Эти приборы должны быть для учащихся не «черными ящиками», а простыми изделиями, физические принципы действия которых вполне понятны. Это важно для развития конструкторского типа мышления.
8.Список литературы
1. Нанотехнология
– URL: http://www ru.wikipedia.org/wiki/(дата обращения: 1.09.2021).
2. Мякишев Г. Я. , Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. Физика. 11 класс. / Мякишев Г.Я.: учебник. – М.: Просвещение, 2020. – 416 с.
3.Резников З.М. Прикладная физика. −М.: Просвещение, 1989.– 239 с.
4. Бутенко Д. В., Созинов Б. Л., Черкасова Г. С. Исследования полупроводниковых приборов./ Электронное учебное пособие. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. – 64 с.
5. Костржицкий, В.Ф. Карпов, М.П. Кабанченко, О.Н. Соловьёва.А. И.. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме. – М.: Машиностр,1991. –120 с.
6. Фотодиод– URL: http://www ru.wikipedia.org/wiki/(дата обращения: 8.08.2021).
7 . Силаев И. В., Радченко Т. И., Гергиева Б. Э., Магкоев Т. Т. Физико-химические основы и технология получения тонких плёнок резистивным испарением. / Учебное пособие. – Владикавказ: Изд-во СОГУ, 2016. – 136 с.
8. Силаев И. В., Магкоев Т.Т., Радченко Т. И. Технология экономного расходования напыляемых материалов при использовании установок термовакуумного испарения. //Международный журнал экспериментального образования. 2016. №. 6 (часть 2). С. 95.
8. Приложения
Рис.1 а, б. Фуллерены Рис. 2. Углеродная нанотрубка Рис. 3. Наноплёнка
Рис. 4 а. Кристалл четырёхвалентного Ge или Si; б. Собственная проводимость (электронная и дырочная). в. Примесная проводимость. Донорная примесь:. г. Примесная проводимость. Акцепторная примесь
Рис. 5а – в. Образование р– n - перехода. Проникшие в соседнюю область носители заряда препятствуют дальнейшей диффузии
Рис. 6. Установка для напыления. Рис. 7а, б. Блок питания, испаритель
Рис. 8 а - в. Вакуумная камера
Рис. 9 . Плёнки на покровных стёклах
Рис. 10. Вольтамперная характеристика диода и состояние р–n-перехода
Рис. 11. Биполярный транзистор (устройство, условное обозначение, ток)
Рис. 12 а - г. Фотодиод (условное обозначение, внешний вид, схема для исследований, график зависимости чувствительности от длины волны света)
Рис. 13 а) распределение испаряющегося вещества в пространстве, учитывая;
б) угол падения вещества на подложку; в) расстояние до неё
Рис. 14. Гауссово распределение для частиц плёнки (synset.com)
Рис. 15. Испарение на элемент поверхности подложки dAr из а)точечного испарителя; б) с малой площадью поверхности dAe . dω – пространственный угол; в) sinα угла между подложкой и пучком
Рис. 16. а) Кремниевая пластина; б) зафиксирована на держателе подложек; в) с обратной стороны экран из нержавеющей стали; г) снятие с пластины после напыления контактной маски
Рис. 17 а, б. Изготовленный диод Шоттки. Рис. 18. Структура Ni, Si-p, Ag
Рис. 19.Установка масок и напыление слоёв металла
Рис. 20 а, б. Фотодиод ; в - полученная структура фотодиода
Рис. 21.Проведение экспериментов
Таблица 1. Зависимость сопротивления от освещённости для изготовленного фотодиода
|
Е, лк |
5000 |
4000 |
1000 |
50 |
|
R, кОм |
31 |
25 |
16 |
10 |
Вывод: фотодиод Шоттки реагирует на изменение освещенности перехода Ме -полупроводник с учётом процессов в металлической наноплёнке.
Рис. 22. Изготовление транзистора
Рис.23. Полученная сэндвич- структура транзистора Рис. 24. Транзистор
Таблица 2. Измерение электрического сопротивления переходов изготовленного биполярного транзистора №1 (эмиттер – база)
|
Освещённость Е, лк |
Электрическое сопротивление, кОм |
|
|
Прямой переход. На эмиттере «+», на базе «—». |
Обратный переход. На эмиттере «—», на базе «+». |
|
|
500 |
18,4 |
27 |
|
2500 со стороны эмиттера |
14,7 |
32 |
|
2500 со стороны коллектора |
17,8 |
28 |
|
50 |
18,1 |
27 |