Расчёт электронно-дырочного перехода

Расчёт электронно-дырочного перехода

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

Факультет «Приборостроительный»

Кафедра «Конструирование и производство радиоаппаратуры»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

по дисциплине «Физика твердого тела»

ЮУрГУ-210400.2013.894 ПЗ КР

Расчёт электронно-дырочного перехода

Руководитель

В.А. Бухарин

Автор проекта

студент группы ПС-259

Е.Н Злыднев

Челябинск 2013г.

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу студента

Злыднева Евгения Николаевича

Группа ПС-259

1. Дисциплина «Физика твердого тела»

. Тема работы: «Расчёт электронно-дырочного перехода»

. Срок сдачи студентом законченной работы: 7 июня 2013 года

. Перечень вопросов, подлежащих разработке

4.1 Исходные данные:

Электронно-дырочный переход формируется диффузией фосфора в кремниевую подложку p-типа с концентрацией исходной примеси Nисх. Поверхностные концентрации примеси фосфора N0Д. Глубина залегания p-n-перехода X. Определить вольтамперную характеристику, барьерную и диффузионную ёмкости, пробивное напряжение электронно-дырочного перехода.

4.2 Содержание пояснительной записки:

1) Аннотация,

) Оглавление,

) Анализ технического задания,

) Введение,

) Описание технологии изготовления электронно-дырочного перехода

) Расчётная часть,

) Конструкция диода современной твердотельной САПР

) Классификация разработанного электронно-дырочного перехода по граничной частоте и рассеиваемой мощности.

) Основные особенности использования диодных структур в интегральных схемах,

) Заключение,

) Список литературы.

         Календарный план

Руководитель работы __________________________ /В.А. Бухарин/

Студент                                                                           /Е.Н. Злыднев /

АННОТАЦИЯ

Злыднев Е.Н. Расчёт электронно-дырочного перехода. - Челябинск: ЮУрГУ, ПС, 2013, с. 19, 8 илл., Библиография литературы - 7 наименований.

Рассмотрены технология изготовления, принцип действия, физические процессы в полупроводниковых диодах. Предложен способ расчета входных и выходных характеристик, статических и динамических параметров.

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковый диод, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие "Полупроводниковый диод" объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации П. д. соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов. В наиболее распространённом классе электропреобразовательных полупроводниковых диодов различают: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ. Среди оптоэлектронных полупроводниковых диодов выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовые генераторы.

Наиболее многочисленны П. д., действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (р-n-перехода). Если к р-n-переходу диода приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т. е. подать на его р-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, соответствующий переходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область - течёт большой прямой ток. Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), то потенциальный барьер повышается и через р-n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток).

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Из задания следует, что полупроводниковый диод изготавливается по диффузионной технологии.

Диффузия - это процесс, с помощью которого на поверхности или внутри пластины полупроводника получают p- или n- области путем введения акцепторных или донорных примесей. Проникновение примесей внутрь пластины проводника происходит за счет диффузии атомов примеси. Источником примеси диффузанта может быть либо жидкость, либо газ (пар). В первом случае поверхность пластины контактирует со расплавом, содержащем в качестве компонента необходимую примесь, во втором случае - с парами примеси или с потоком инертного газа-носителя, содержащего пары примеси. Второй метод имеет большее распространение.

Диффузия примесей имеет под собой ту же теоретическую базу, что и диффузия подвижных носителей заряда. Существенное отличие состоит, конечно, в отсутствие рекомбинации, а с количественной стороны в несравненно меньших коэффициентах диффузии, а значит, и скоростях движения.

. ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

Существует большое количество способов создания p-n перехода. На рисунке 2.1 представлены схемы сплавной, диффузионной и эпитаксиально-диффузионной технологий.

Рисунок 2.1 - Схемы изготовления p-n перехода различными технологическими способами

При сплавной технологии электронно-дырочный переход образуется на границе раздела исходного кристалла и рекристаллизованной полупроводниковой области, в которую происходило вплавление (рисунок 2.1а). На рисунке 2.1б показан способ изготовления p-n перехода диффузией акцепторной примеси в кристалл n-типа. Особенность технологии, показанной на рисунке 2.1в, в том, что диффузия осуществляется в кристалл с полупроводниковой пленкой n типа, выращенной на кристалле n+ типа специальной эпитаксиальной технологией, позволяющей сохранить структуру кристалла в пленке.

При заданной (желаемой) глубине диффузии время соответствующего процесса

 где                                                                                  (1)

X - глубина диффузии

D - коэффициэнт диффузии

Выбрав температуру диффузии Т=1100, из графика определим коэффициент диффузии:

D=

Поставив значения в формулу (1) рассчитали время диффузии:

= 5625 с. = 93.75 мин.

Обычно выбирают такую температуру диффузии, которая обеспечивает время процесса не менее 10-20 мин. В этом случае можно получить заданную величину диффузионного слоя с высокой точностью, поскольку прекращение нагрева с погрешностью, составляющей несколько, даже десятки секунд, оказывали малосущественным.

Диффузия примесей имеет под собой ту же теоретическую базу, что и диффузия подвижных носителей заряда. Существенное отличие состоит, конечно, в отсутствии рекомбинации, а с количественной стороны - в несравненно меньших коэффициентах диффузии, а значит, и скоростях движения

В отсутствие рекомбинации (т = ∞) любое из уравнений диффузии применительно к концентрации примеси N запишется в виде 2-го закона Фика:

где N = N(x; t) - распределение концентрации примеси

В случае ограниченного источника примеси, распределение примеси описывается функцией Гаусса

где  - полное количество атомов примеси (на единицу площади) которое остается постоянным в процессе диффузии.

При x=0, распределение примеси примет вид :

Из этого выражения найдем полное количество атомов примеси:

В итоге получим:

Практически величина  обеспечивается путем предварительной диффузии («загонки») примеси на небольшую глубину из неограниченного внешнего источника, после чего источник отключается и следует автономная «разгонка» накопленных атомов.

Вольт - амперная характеристика диода определяется формулой:

где - температурный потенциал

- тепловой ток;

Температурный потенциал можно найти с помощью формулы:

где T- температура; T=300 К;

- постоянная Больцмана; k = ;

- заряд электрона; q = Кл;

Поставляя значения в формулу, получили:

Тепловой ток определяется из выражения:

I0 = (трутко)

где b - отношение подвижности электронов и дырок, b = 2.81

S - площадь перехода, S = м2

- собственная проводимость полупроводника,

,- проводимость соответствующих слоев,

Определим их с помощью графика, при Nприм= 10-17 см-3

,  Ом м

Ln, Lp - диффузионные длины носителей заряда, которые можно найти с помощью формул:

где Dp, Dn - коэффициенты диффузии дырок и электронов

(королев)

, - время жизни дырок и электронов

, = 2.5 * 10-3 сек (королев)

В итоге получили

ВАХ

Барьерная емкость

где - относительная диэлектрическая проницаемость кремния , = 11.8;

- электрическая постоянная, 𝜀0 = 8,85419·10-12 Ф/м;

S - площадь перехода, S = м2;

 - высота потенциального барьера определяется формулой

где b - отношение подвижности электронов и дырок, b = 2.81

,  - удельные сопротивления соответствующих слоёв, для кремния

Определим их с помощью графика, при Nприм= 10-17 см-3

,  Ом м

Подставляя в числовые значения, в итоге получили:

= 0.76 В

l -ширина перехода

Поставляя значения получаем

l =

Барьерная емкость

Диффузионная емкость

. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИОДНЫХ СТРУКТУР В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

Диоды в микросхемах предназначены либо для того, чтобы выводить транзисторы из насыщения (фиксация транзисторов), либо для выполнения логических функций.

Любой из р-п переходов транзисторной структуры может быть использован для формирования диодов, но только два перехода база-эмиттер и база-коллектор действительно удобны для схемных применений. Пять возможных вариантов использования p-n переходов транзистора в качестве диода показаны на рис. 4.1. Параметры интегральных диодов приведены в табл. 4.1. Из анализа таблицы видно, что варианты различаются по электрическим параметрам. Пробивные напряжения Uпр больше у тех вариантов, в которых используется коллекторный переход. Обратные токи Iобр меньше у тех вариантов, в которых используется только эмиттерный переход, имеющий наименьшую площадь. Емкость диода между катодом и анодом Сд у варианта с наибольшей площадью переходов максимальна (Б-ЭК). Паразитная емкость на подложку С0 (считается, что подложка заземлена) минимальна у варианта Б-Э. Время восстановления обратного тока tв характеризующее время переключения диода из открытого в закрытое состояние, минимально у варианта БК- Э, так как у этого варианта заряд накапливается только в базе.

Оптимальными для микросхем вариантами являются БК-Э и Б-Э, причем чаше используется БК-Э. Пробивные напряжения (7...8 В) достаточны для использования этих вариантов в низковольтных микросхемах.

Стабилитроны. Полупроводниковым стабилитроном называют полупроводниковый диод с быстрым нарастанием обратного тока при пробое р-п перехода и нормированным значением пробивного напряжения. Основное назначение стабилитронов - стабилизация напряжения. Интегральные стабилитроны могут быть сформированы на базе структуры интегрального транзистора в различных вариантах в зависимости от необходимого напряжения и его температурного коэффициента. Обратное включение диода Б-Э используют для получения напряжения 5... 10 В с температурным коэффициентом +(2...5) мВ/°С. Диод работает в режиме лавинного пробоя. Обратное включение диода БЭ-К применяют для получения напряжения 3...5 В (явление прокола базы, температурная чувствительность -(2...3) мВ/°С). Один или несколько последовательно включенных в прямом направлении диодов БК-Э могут быть использованы как источники напряжения, равного напряжению на открытом переходе (около 0,7 В) или кратного ему. Их температурная чувствительность -2 мВ/°С. В температурно компенсированном стабилитроне, сформированном на основе базового и эмиттерного слоя, при подаче напряжения между n+ слоями один переход работает в режиме лавинного пробоя, второй - в режиме прямого смещения. Температурная чувствительность напряжения на этих двух переходах имеет противоположный знак, поэтому суммарная температурная чувствительность такого стабилитрона менее ±2 мВ/°С.

полупроводниковый диод схема вольтамперный

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, псле выполнения задания на курсовую работу были более детально изучены общие сведения по диодам, физические принципы работы, технологии получения p-n перехода, использование диодных структур в интегральных микросхемах и другие особенности полупроводниковых приборов.

По разработанной методике был рассчитан p-n переход, полученный диффузионным методом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1977.- 672с.

. Трутко А. Ф. Методы расчёта транзисторов. - М.: Энергия, 1971.

3. Королев В.Л., Карпов Л.Д. Конструирование полупроводниковых интегральных схем. - Красноярск, 1992. 118с.

4. Тугов Н. М. Полупроводниковые приборы. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Пер. с англ. -
2-е перераб. и доп. Изд. -М.: Мир, 1984. -456с.