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-210 400.2013.894 ПЗ КР Расчёт электронно-дырочного перехода Руководитель В. А. Бухарин Автор проекта студент группы ПС-259

Е.Н Злыднев Челябинск 2013 г.

ЗАДАНИЕ на курсовую работу студента Злыднева Евгения Николаевича Группа ПС-259

1. Дисциплина «Физика твердого тела»

2. Тема работы: «Расчёт электронно-дырочного перехода»

3. Срок сдачи студентом законченной работы: 7 июня 2013 года

4. 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,

2) Оглавление,

3) Анализ технического задания,

4) Введение,

5) Описание технологии изготовления электронно-дырочного перехода

6) Расчётная часть,

7) Конструкция диода современной твердотельной САПР

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

9) Основные особенности использования диодных структур в интегральных схемах,

10) Заключение,

11) Список литературы.

5 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 В ходе работы необходимо рассчитать полупроводниковый диод. В задании на курсовое проектирование приведены только основные величины, которых недостаточно для полного расчета параметров биполярного и полевого МДП-транзистора. Таким образом, в расчетной части будут указаны дополнительные величины и их значения, необходимые для проведения расчёта.

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

Диффузия — это процесс, с помощью которого на поверхности или внутри пластины полупроводника получают pили nобласти 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.

2. 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 2.1 В, 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 Tтемпература; 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;

0 — электрическая постоянная, ??0 = 8,85 419?10−12 Ф/м;

S — площадь перехода, S = м2;

— высота потенциального барьера определяется формулой где b — отношение подвижности электронов и дырок, b = 2.81

?i = 2.3?103 Ом? м;

 — 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

lширина перехода Поставляя значения получаем

l =

Барьерная емкость Диффузионная емкость

4. 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.

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

2. 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.

5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Пер. с англ. ;

2-е перераб. и доп. Изд. -М.: Мир, 1984. -456с.

.ur