книги из ГПНТБ / Зайцев Ю.В. Переменные резисторы

ляет температуру, fipn которой уро'вень Ферми совпада­ ет с дном зоны проводимости [Л. 7]:

у = е{Ес~Е^ кТТ0^ ( Е с - Е я)/к.

При малых концентрациях доноров уравнение (6-46) не имеет корней (в этом случае уровень Ферми не попа­ дает в зону).

Уравнение (6-46) запишем через параметр I, пропор­

£д

где

1 = 1,27 — —— . гд^ с(7’о)

Кривые, описывающие левую и правую части уравне­ ния (6-47) при различных значениях параметра I, пока­ заны на рис. 6-3,а, где fi(y) =у, f2(y) = I(ln i/)3/2.

Из рис. 6-3, а видно, что при концентрациях примеси, меньших некоторой критической концентрации N*p , уро­

вень Ферми не попадает в зону проводимости ни при ка­ ких температурах. При концентрациях, больших крити­ ческой, имеются две точки пересечения кривой, описы­ ваемой правой частью уравнения (6-47), с прямой, за­ данной его левой частью. Этим точкам пересечения соот­ ветствуют две температуры, ограничивающие интервал, в котором уровень Ферми расположен в зоне проводи­ мости.

Совместное решение уравнения (6-47) и уравнения

определяет критическую температуру 7кр и критическую концентрацию доноров, соответствующую касанию дна зоны уровнем Ферми. Подставляя величину I из уравне­

324

ния (6-48) в уравнение (6-47), получаем уравнение для определения Ткр

У = — 1/«§гд + - | ^ 1п^

Интервалом рабочих температур ПЭ является такой интервал, в котором концентрация носителей заряда практически постоянна и равна —N&. В области низ­ ких температур Т<Т\ и в области высоких температур

Рис. 6-3. Кривые к расчету Ткр N*p (а) и кривая к расче­ ту интервала рабочих температур резистора (б).

Т > Т 2 зависимость Inn от температуры имеет вид 1пп = Л—Еакт/kT, где А — постоянная и Еакт— соответ­ ствующая энергия активации.

Температуру Т\ можно определить из условия

где ёд — фактор вырождения примесного уровня

Верхняя граница интервала рабочих температур оп­ ределяется собственной концентрацией электронов

£с~£у

n = Nce 2кТ- = Na — N&,

откуда

__________ ЛЕ__________

2k [In Nc (Г2)/(Л/Д - Na) - l/2k] ’

325

где ДЕ — ширина запрещенной зоны при 7’=0°К, а £— ее температурный коэффициент.

Так, например, рассчитаем интервал температур, в котором кон­ центрация носителей заряда практически постоянная для кремние­

Таким образом, ПЭ из данного материала имеет исключительно широкий интервал рабочих температур (78—540К).

Для переменного резистора исключительно важным является состояние поверхности ПЭ, поскольку явле­ ниями на поверхности определяется стабильность рези­ стора, его электрические параметры (контактное сопро­ тивление, начальный скачок сопротивления), а также функциональная характеристика.

Дадим физическую интерпретацию явлениям на по­ верхности монокристаллического полупроводникового ПЭ переменного резистора.

Наличие на поверхности полупроводника поверхност­ ных состояний приводит к образованию двойного слоя электрического заряда. В зависимости от типа проводи­ мости поверхность заряжается отрицательно или поло­ жительно. В приповерхностной области возникает слой объемного заряда, возникающее электрическое поле вы­ зывает изгибание энергетических зон [Л. 7].

Ес (г) = Есо — а (г);

В области объемного заряда концентрация электро­ нов и дырок зависит от координат; для невырожденных полупроводников

326

га (г) и р{г) определяются формулами (6-50), а концен­ трация ионизированных доноров и акцепторов (Л/+ и N~)

в области пространственного заряда

в объеме полупроводника; g& и £д — кратности вырож­ дения акцепторного и донорного уровней.

Ширина области пространственного заряда характе­ ризуется дебаевской длиной LD.

Для электронного полупроводника она равна:

При отсутствии внешнего электрического поля полу­ проводник нейтрален; условие электронейтральности для одномерного полубесконечного полупроводникового об­ разца

f Рз (х) dx + Q, = 0,

о

где Q, — поверхностная плотность заряда в поверхно­ стных состояниях.

327

где п и р — концентрация электронов и дырок в объеме.

еме образца.

Рассчитаем величину загиба зон на поверхности кремния л-типа, если на поверхности адсорбированы доноры, концентрация которых

где л и р — концентрации электронов и дырок в объеме,

Обозначив ех/кТ = Г, уравнение Пуассона запишем так:

ед7

Умножая обе части уравнения на 2dYjdx и проведя интегриро­ вание по Г, получим:

(dT/dxf = — L^2 [ГГ — Г ехр Г — Г-1 ехр (— Г) — ( - Г)-1 Г] + С,

9 8ле2пг

где L° = 1 ^ Г : LB — длина Дебая.

328

+ (Г-1 — Г) еХ!кТ }~ 2 .

Знак плюс следует отбросить, так как dxj d x < 0.

= 2,1 -1015 м-2. Приведенные выражения позволяют рас­ считывать температурный интервал, в котором изменение сопротивления Г1Э незначительно, а также определить величину загиба зон на поверхности проводящего мате­ риала, используемого для ПЭ переменного резистора. Последнее необходимо для выбора материала скользя­ щего контакта и необходимой степени легирования по­ верхности ПЭ. Материал скользящего контакта выбира­ ется таким (с такой работой выхода), чтобы в области контактирования имело место образование антизапорного слоя с небольшим контактным сопротивлением. Термоэмиссиопные константы и значения уровня Ферми для ряда проводящих материалов, которые могут быть ис­ пользованы в контактной паре переменного резистора,

330

6-3. Разработка технологии производства

В качестве исходных материалов для ПЭ полупровод­ никовых резисторов целесообразно использовать монокристаллический германий с удельным сопротивлением (10-7—К)-5) Ом-м и кремний с удельным сопротивлени­ ем (5—10) -10-5 Ом-м. Предпочтительной формой ПЭ является прямоугольная, обеспечивающая технологич­ ность получения ПЭ и более низкий процент отходов про­ водящего материала по сравнению с подковообразной. Отметим также, что в последние годы разработано не­ сколько конструкций переменных резисторов, предусмат­ ривающих использование прямоугольного ПЭ (обычно слоистого пластика), покрытого композиционным слоем. В такие конструкции могут быть установлены и полупро­ водниковые ПЭ, при этом должны быть только изменены контактные узлы (места крепления ПЭ с выводами рези­ стора) .

Технология производства полупроводниковых пере­ менных резисторов в основном сводится к технологии получения ПЭ; остановимся на основных технологиче­ ских этапах получения ПЭ резисторов. В процессе раз­ работки технологии была проанализирована возмож­ ность использования в ПЭ высоколегированного герма­ ния и кремния, поверхность которых не подвергалась дополнительным обработкам. Исследованы контактные сопротивления между ПЭ, выполненными из материа­ лов с различным удельным объемным сопротивлением и стандартными скользящими контактами, широко ис­ пользуемыми в конструкциях переменных резисторов (рис. 6-4, 6-5). Исследования показали, что контактные сопротивления экспериментальных образцов довольно значительны (десятки ом), в связи с этим предложено выполнять на поверхности монокристаллических ПЭ за­ данное число металлизированных участков, обеспечива­ ющих малое контактное сопротивление переменного ре­ зистора. Диаметр скользящего контакта должен в нес­ колько раз превышать ширину металлизированных участков, тем самым повышается надежность контакти­ рования, достигается снижение контактного сопротив­ ления.

Рассмотрим основные технологические операции по получению ПЭ. В качестве исходного материала для ПЭ наиболее целесообразно использовать кремний, обеспе­

чивающий элементам более высокую рабочую температу­ ру, чем в случае использования германия.

Наиболее технически выгодным является одновремен­ ное нанесение контактов к ПЭ и создание металлизиро-

Рис. 6-4. Зависимость сопротивления R Koт давления в контакт­ ной паре, когда ПЭ выполнен из германия «-типа с удельным сопротивлением 2-10-4 Ом-м (а) и 5-10~5 Ом-м (б). Сколь­ зящий контакт выполнен на основе композиции из сажи и гра­ фита (/), сажи и мелкодисперсного серебра (2) и упругий кон­

такт из нейзильбера для резисторов типа СГ1-1—IV (3).

Рис. 6-5. Зависимость сопротивления RK от тока, ПЭ выполнен из германия «-типа с удельным сопротивлением 2 -10-4 Ом-м (а) и 5-10-5 Ом-м (б). Скользящий контакт на основе сажи, графита (/), сажи и мелкодисперсного серебра (2) и нейзиль­ бера (3).

ванных участков на его поверхности. Для создания ме­ таллизированных полос на поверхности ПЭ можно реко­ мендовать метод химического осаждения металла из раствора или метод термического испарения соответст­ вующего материала (никеля, серебра и т. п.). Первый

332

метод предполагает полное покрытие поверхности ПЭ металлическим слоем с последующим разделением ме­ таллического покрытия на дискретные полосы с помощью ультразвуковой резки. В этом случае на поверхности ПЭ образуются канавки, обусловливающие сопротивление ПЭ. Такие ПЭ целесообразно использовать для подстро­ ечных переменных резисторов, имеющих небольшое чис­ ло циклов перемещений скользящего контакта. Когда число циклов перемещения скользящего контакта значи­ тельно (у регулировочных резисторов), то можно исполь­ зовать метод термического нанесения металла через тра­ фарет на поверхность пластин, поскольку этот метод позволяет сохранить структуру поверхности ПЭ, обеспе­ чивая последним более высокую износоустойчивость.

Рассмотрим последовательно технологические опера­ ции по получению ПЭ из монокристаллического полупро­ водникового материала.

Полупроводниковый материал [обычно высоколеги­ рованный кремний с р = (5-МО) • 10~5 Ом-м] разрезают на прямоугольные пластины на станках дисками с ал­ мазной режущей кромкой. Полученные после резки пла­ стины имеют различную толщину, а их поверхность покрыта царапинами и мелкими выбоинами. Для удале­ ния этих дефектов проводится шлифовка пластин. После шлифовки пластины промывают в дистиллированной во­ де для удаления остатков шлифовального порошка. Пос­ ле промывки в горячей дистиллированной воде элементы помещают в 30%-ный раствор КОН, чтобы удалить по­ верхностные следы механической обработки и загрязне­ ний, так как после резки, шлифования пластины имеют на всей поверхности тонкий аморфный слой, являющий­ ся результатом механического разрушения монокристаллической структуры. Помимо этого, на поверхности пла­ стин при пребывании на открытом воздухе образуются окислы и адсорбируются разнообразные микропримеси.

После травления пластины промывают в дистиллиро­ ванной воде для удаления продуктов реакции, с одной стороны защищают химически стойким лаком (ХСЛ) и помещают в раствор для никелирования. Защита про­ изводится с целью осаждения никеля только на поверх­ ность, по которой осуществляется перемещение скользя­ щего контакта.

Для никелирования кремния используется раствор следующего состава: хлористый никель — 30 г/л; гипо­

333