二极管介绍和生产工艺专题培训课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,二极管介绍和生产工艺,US,I.All rights reserved.,Contents List,目,录,1.,二极管简介.,.,2,2.半导体的导电特性.,.,3,3.二极管的电气特性.,.5,4.,二极管的主要参数.,.6,5.,二极管应用电路,.8,5,.1,.二极管稳压电路.,.,.,.8,5.2.,二极管检波电路,.9,5.3.,二极管钳位电路,.10,5.4.,二极管整流应用.,.,.,11,6.,二极管生产工艺流程,.14,6.1.,半导体扩散工艺.,.,1,5,6.2.,二极管制造中序,.26,7,.二极管生产问题分析.,.,.,30,8.,二极管构造分类,.32,8,.国产二极管型号命名.,.,.,33,9.,各类型二极管常用检测法,.34,1,USI.All rights reserved.,二极管,在电路中主要起稳压，检波，整流，钳位，限幅等作用。,电流只能从二极管的正极流向负极,普通,二极管用符号,D,表示,。,二极管简介,晶体二极管是由,P,型半导体和,N,型半导体烧结形成的,P,-,N,结界面。,图为常见二极管外形及表示方法,二极管的构成,Kinds of diodes,Light emitting diode,二极管的应用,整,流,稳压,钳位,检波,线路符号,+,-,2,半导体导电特性,3,半导体导电特性,4,US,I.All rights reserved.,正向电压很小,未克服,PN,结内电场,正向电流几乎为,0,电压大于死区电压,PN,结电场逐渐克服,电流随电压增大上升,PN,结内电场完全削弱,电流随电压增大上升,二极管导通压降不变,Voltage,0Vth,Vth,Vth,正向特性,二极管处,于死区,导通进,行状态,正常导,通状态,阈值电压V,th,，硅管约为,0.5V,，锗管约为,0.1V,。正向导通压降,硅管,约为,0.60.,8V,锗管的约为0,.20.3V,反向特性,反向电压很小,反向漏电流很小,二极管反向截止,反向漏电流受温,度影响,大于反向击穿电压,反向电流突然增大,失去单向导电性,反向电击穿,过热则永久损坏,若未引起击穿过热,则不一定损坏,Voltage,Ubr,Ubr,0Ubr,反向截,止状态,反向,击穿,击穿,损坏,常温下,硅管的反向电流比锗管小得多，小功率硅管的反向饱和电流在,nA,数量级，锗管在,A,数量级,反向截,止电压,死区,电压,特性曲线,二极管电气特性,5,二极管主要参数,最大整,流电流,If,二极管长期工作，允许的最大正向平均电,流值，其与,PN,结面积及散热条件等有关。,电流通过管子管芯发热，,超温会使管芯过热损坏,最高反向,工作压,Ud,二极管两端反向电压高到一定值时，管子击穿，失去单向导电能力。,IN4001,二极管反向耐压为,50V,，,IN4007,为,1000V,6,反向,电流,Id,反向电流越小，单向导,电性能越好,二极管在常温,（,25,）,和最高反向电压,作用下，流过的反向电流。,最高工,作频率,Fm,Fm,取决于,PN,结面积，,PN,结面积越大，,Fm,越低,Fm,是二极管工作的上限频率。高于该频率将不能正常工作,二极管主要参数,7,二极管构造分类,二极管构造分类,二,极管稳压电路,形式一,输出电压,U,0,取自稳压管,VZ,两端，故,U,0,=Uvz,。当电源电压上升，由于稳压二极管的稳压作用，,Uvz,不变，输出电压,U,0,也不变。该稳定不变电压可供给其他电路，使电路稳定正常工作。,输出电压取自限流电阻,R,两端，当电源电压上升时，稳压二极管两端电压,Uvz,不变，限流电阻,R,两端电压上升，故输出电压,U,0,上升。稳压二极管按这种接法是不能为电路提供稳定电压。,稳压二极管需反接于电路中，并工作于,反向击穿状态,8,二极管构造分类,二极管构造分类,二,极管检波电路,检波原理,电路中,VD1,是检波二极管，,C1,是高频滤波电容，,R1,是检波电路的负载电阻，,C2,是耦合电容。检波电路中，调幅信号加到检波二极管正极，这时检波二极管工作原理与整流电路整流二极管工作原理基本一样，利用信号幅度使检波二极管导通。,展开后的调幅信号波形中可以看出，它是一个幅度变化的交流信号。这一信号加到检波二极管正极，正半周二极管导通，负半周二极管截止，相当于整流电路工作，在负载电阻,R1,上得到正半周信号包络，信号虚线部分，见图中检波电路输出信号波形（不加高频滤波电容时输出信号波形）。检波电路输出信号由音频信号、直流成分和高频载波信号成分组成。三种信号中，最重要是音频信号处理。,9,二极管构造分类,二极管构造分类,二,极管钳位电路,钳位原理,水平线是受保护的节点。当该电压超过,Vcc+Vd,时，上面的二极管导通，当该点电压小于,-0.7V,时，下面的二极管导通。因此该点的电位被钳制在,-0.7Vcc+Vd,之间。,对于正常的二极管，正向电阻约为几千欧，反向电阻约为几百千欧（一般应大于,200,千欧）。如果电压过高，高于,Vcc+Vd,（二极管导通压降），上面的二极管导通，输出电压钳位于,Vcc+Vd,；如果电压过低，低于,-Vd,（二极管导通压降），下面的二极管导通，输出电压钳位于,-Vd,。,10,半波整流电路结构,变压器输出电压,U,2,仅半个周期可到达负载，负载电压,U,0,是单方向脉动直流电压,如图,(a),，半波整流电路由电源变压器、整流二极管和负载组成。,U,2,表示变压器二次绕组的交流电压有效值，,U,0,是脉动的直流输出电压，,半波整流电路简单，使用元器件少，,输出电压脉动很大，效率很低,用在对直流电流波形要求不高的场合,变压器,T,一次侧电压,U,1,，变压器的二次侧电压,U,2,U,2,为正半周时,VD,导通，在,R,L,上产生正半周电压；,U,2,为负半周时,VD,截止，负载,R,L,上无电流流过,当输入电压进入下一个周期，整流电路将重复上述过程,U,2,U,O,.,V,oltage waveform,二极管构造分类,二极管构造分类,二,极管整流电路,11,全波整流电路结构,全波整流电路由两个半波整流电路组成，变压器T二次绕组具有两个中心抽头，将二次绕组分为上下两个相等部分，变压器两个输出端可以得到两个大小相等相位相反的输出电压,全波整流电路带载能力强，输出电压脉动小，易滤成平滑直流,电源变压器需中心抽头，变压器效低，,整流管承受的耐压高。,适用稳定要求较高，输出电流大的场合,当,U,2,正半周,VD1,导通,VD2,截止，电流,Io(I,D1,),通过,VD1,和,R,L,在负载两端产生上正下负脉动直流电压,Uo,当,U,2,负半周,VD2,导通,VD1,截止，电流,Io(I,D2,),通过,VD2,和,R,L,在负载两端产生上正下负脉动直流电压,Uo,正半周和负半周电压经过,VD1,和,VD2,整流后在负载上合成为全波脉动直流电压,Uo,U,2,U,T,.,V,oltage waveform,U,2,U,21,U,22,U,o,U,21,U,22,二极管构造分类,二极管构造分类,二,极管整流电路,12,桥式整流电路结构,.,V,oltage waveform,桥式整流电路属全波整流，是使用最多整流电路。四只二极管接成电桥在电压,U2,正负半周均有电流流过负载，在负载上形成单方向的全波脉动电压,桥式整流电路由电源变压器、四只整流二极管和负载电阻组成,桥式整流电路利用交流输入整个周期，变压器利用率高，,输出电压为半波整流的两倍，输出电压的脉动大大减少。,广泛用于家用电器、仪器仪表、通信设备、电力控制等方面。,当,U,2,正半周变压器二次绕组电压,A,正,B,负,VD1,VD3,导通，,VD2,和,VD4,截止，电流,Io,1,经,VD1、R,L,和,VD3,在,R,L,输出,Uo,图,(a),当,U,2,负半周变压器二次绕组电压,B,正,A,负,VD2,VD4,导通，,VD1,和,VD3,截止，电流,Io,2,经,VD2,、,R,L,和,VD4,在,R,L,输出,Uo,图,(b),电压,U,2,一个周期内，负载,R,L,上均有电流流过,U,2,U,o,U,2,(a),(b),二极管构造分类,二极管构造分类,二,极管整流电路,13,二极管构造分类,二极管构造分类,二极管生产工艺流程,前期半导体扩散,中期制造成型,后期打印包装,。热氧化,。扩散,。,LPCVD,。合金,。清洗,。沾污测试,。焊接,。酸洗,。模压,。印字,。机包,。外拣,。包装,14,US,I.All rights reserved.,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,扩散区域按工艺分，主要有热氧化、扩散、,LPCVD,、合金、清洗、沾污测试等六大工艺,热氧化工艺,介绍,热氧化法是高温下（,900-1200,）使硅片表面形成二氧化硅膜方法。常用杂质(硼,磷,砷等)在氧化层中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数，因此氧化层具有阻挡杂质向半导体中扩散的能力。利用这一性质，在硅上的二氧化硅层上刻出选择扩散窗口，则在窗口区就可以向硅中扩散杂质，其它区域被二氧化硅屏蔽，没有杂质进入，实现对硅的选择性扩散，从而导致了硅平面工艺的诞生。,1,5,.热氧化方法介绍,干氧氧化,氧分子以扩散的方式通过氧化层到达二氧化硅-硅表面，与硅发生反应，生成一定厚度的,二氧化硅层,。,干氧氧化化学反应式：,Si+O,2,=SiO,2,干氧化制作的,SiO,2,结构致密，均匀性重复性好，掩蔽能力强，对光刻胶的粘附性较好，但生长速率,慢；较用于高质量氧化，如栅氧等。,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,湿氧氧化,反应气体中包括,O,2,和,H,2,O,，实际是两种氧化结合使用。,湿氧氧化化学反应式：,H,2,+O,2,=H,2,O,H,2,O+Si=SiO,2,+2H,2,Si+O,2,=SiO,2,湿氧氧化生长速率介于干氧氧化和水汽氧化间；通过,H,2,和,O,2,流量比例调节,O,2,和,H,2,O,分压比，调节氧化速率。为了安全，,H,2,/O,2,比例不可超过1.88。湿氧化的氧化层对杂质掩蔽力以及均匀性均满足工艺要求，氧化速率比干氧氧化明显提高，因此在厚层氧化中得到较广泛应用。,16,US,I.All rights reserved.,掺氯氧化,氧化气体中掺入,HCl,或,DCE（C,2,H,2,Cl,2,）,后，氧化速率及氧化层质量都有提高。两方面解释速率变化原因，其一：掺氯氧化时反应产物有,H,2,O,，加速氧化；其二：氯积累在,Si-SiO,2,界面附近，氯与硅反应生成氯硅化物，氯硅化物稳定性差，在有氧情况下易转变成,SiO,2,，氯成为氧与硅反应催化剂。并且氧化层质量大有改善。热氧化过程中掺入氯会使氧化层中含有一定量氯原子，可以减少钠离子沾污，钝化,SiO,2,击穿特性，提高半导体器件可靠性和稳定性。大多干氧氧化都含有掺氯氧化。,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,水汽氧化,生长速率快，但结构疏松，掩蔽能力差，有较多缺陷。,水汽氧化化学反应式：,2H,2,O+Si=SiO,2,+2H,2,其对光刻胶的粘附性较差，一般不采用此方法。,17,.热氧化方法介绍,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,扩散,工艺,介绍,扩散技术控制半导体中特定区域内杂质的类型、浓度、深度，是半导体器件生产的主要技术之一。,.扩散机构,替位式扩散机构,这种杂质原子或离子大小与,Si,原子差别不大，沿着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占晶格格点正常位置，不改变原来硅材料晶体结构。硼、磷、砷等是此种方式。,填隙式扩散机构,这种杂质原子大小与,Si,原子差别较大，杂质原子进入硅晶体后，不占晶格格点正常位置，而从一个硅原子间隙到另一个硅原子间隙逐次跳跃前进。镍铁等重金属元素是此方式。,18,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,LPCVD,工艺,介绍,LPCVD,即低压化学气相沉积（,Low Pressure Chernicd Vapor Deposition,）简写，几种典型工艺为低压化学气相沉积多晶硅、低压化学气相沉积氮化硅、低压化学气相沉积二氧化硅、低压化学气相沉积三氧化二铝。,多晶硅沉积速率与反应温度的关系,多晶硅膜厚与沉积时间的关系,19,低压化学气相沉积多晶硅,用硅烷（,SiH,4,）沉积多晶硅，用纯氩或纯氮为稀释气体，高浓度硅烷易燃易爆不安全，已趋向采用低浓度,SiH,4,沉积工艺，,5%,浓度,SiH,4,较安全。沉积温度在,600,700,。以,5%,浓度,SiH,4,为例，说明沉积过程中各参数的关系。,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,.,LPCVD,方法介绍,2,0,低压化学气相沉积氮化硅,有三种工艺使用,SiH,4,、,NH,3,及,N,2,、使用,SiH,2,Cl,2,和,NH,3,、使用,SiCl,4,和,NH,3,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,2,1,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,低压化学气相沉积二氧化硅,2,2,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,低压化学气相沉积三氧化二铝,工艺程序为：将硬质合金刀片挂在试样架上，把,4,装在底托,5,上，再装入石英反应炉,1,内通入,H,2,开始升温。开动真空泵,28,使炉内压力低于,1l05pa,。当试样温度升至,1000,1100,时，通入,CO,2,和,AlCl,3,，调整负压调节阀,21,，使石英炉内保持,932pa,左右的压力，沉积,30,40,分钟后，停供,CO,2,和,AlCl,3,，待炉体温度达室温后出炉。,影响镀层质量的主要因素有：硬质合金刀片表面光洁度及清洁状况，原料气体配比等。通常原料气体有,H,2,、,CO,2,、,AlCl,3,，其体积配比为,85%,H,2,、,12.5%,CO,2,、,2.5%,AlCl,3,。如果,CO,2,不足，反应不易进行。,1-,石英反应炉；,2-,感应圈；,3-,试样；,4-,试样支架；,5-,底托；,6-,混合气体喷嘴；,7-,TiCl,4,进口处；,8-,管,路加热器；,9-,AlCl,3,筛板；,14-,H,2,净化器；,15-,恒温,水浴；,16-,蒸发瓶；,17-,TiCl,4,；,18-,二通阀门；,19-,负压计；,20-,供水瓶；,21-,负压调节阀；,22-,缓冲瓶；,23-,浓碱液；,24-,机械泵油；,25-,除尘器；,26-,排气管；,27-,氯气流量计；,28-,真空泵,2,3,合金,工艺,介绍,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,淀积到硅片表面的金属层经光刻形成一定的互连图形之后，还必须进行一次热处理，称为“合金化”。合金的目的是使接触孔中的铝与硅之间形成低电阻欧姆接触，并增加铝与二氧化硅之间的附着力。,铝栅合金,铝是三价元素，在硅中是强,P,型杂质，与,Si,能形成低值欧姆接触,。,在热处理过程中，硅会不停地往铝膜中输送，直到溶解饱和。硅在铝膜中的溶解和扩散过程受铝晶粒尺寸、孔边缘氧化层应力、孔上残余,SiO,2,影响，引起铝膜对硅的不均匀溶解。溶解入硅的铝膜，称为铝钉。铝钉的存在，会产生,PN,结击穿特性退化。严重时，出现,PN,结短路。,2,4,合金,工艺,介绍,二极管构造分类,二极管构造分类,半导体扩散工艺,硅栅合金,实际工艺中，预先在铝源中加入适量的硅，使硅在铝膜中处于饱和，避免硅在铝膜中的溶解，也就避免了“铝钉”的产生。同时用,TiN,层来阻挡铝膜向硅中的渗透，在,TiN,与硅的结合处，预先形成,TiSi,化合物来加强粘附性。,合金工艺的作用不仅仅是形成欧姆接触，它的另一个最大的作用在于：包含,N,、,H,烘陪工艺，是减少表面态密度，避免软击穿的有效措施。,2,5,二极管构造分类,二极管构造分类,二,极管制造中序,1,2,3,4,2,6,二极管构造分类,二极管构造分类,二,极管制造中序,1,2,7,3,二极管构造分类,二极管构造分类,二,极管制造中序,2,2,8,二极管构造分类,二极管构造分类,二,极管制造中序,2,1,2,9,二极管构造分类,二极管构造分类,二,极管生产问题分析,生产性不良分析实例，如图所示4只二极管,芯片对角突出,30,二极管构造分类,二极管构造分类,二,极管生产问题分析,电气特性软,芯片开裂,玻璃上有焊锡,31,二极管构造分类,N,型硅单晶片扩散,P,型杂质,不需调整,PN,结药品腐蚀作用,小电流开关用,点接触型,键型,单晶片上压触一根金属针，,通过,电,流法形成,正向特性和反向特性差,合金法或扩散法做成,适用整流，不用高频率电路,单晶片上熔金或银细丝形成,多作开关用,在高温,P,型杂质气体中，加热,N,型锗或硅单晶片,适用大电流整流,将杂志与合金材料一起扩散,制造高灵敏度变容二极管,与扩散型相同，但不必要部,分用药品腐蚀掉,小电流开关作用,金属和半导体接触面，用已形,成的肖特基来阻挡反向电压,制作开关和低压大电流整流二,极管,扩散型,台面型,面接触型,平面型,合金扩散型,肖特基型,32,Manufacture Type,国产二极管型号命名,33,各类型二极管常用检测法,34,各类型二极管常用检测法,35,US,I.All rights reserved.,Thank You,