мой курсач (Подборка образцов)
Описание файла
Документ из архива "Подборка образцов", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "физика полупроводниковых приборов и интегральных схем" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "остальное", в предмете "физика полупроводниковых приборов и интегральных схем" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "мой курсач"
Текст из документа "мой курсач"
Оглавление:
Введение
Цель работы
Задание
Данные
Получить плавный p-n переход методом диффузии
Рассчитать технологические параметры диффузии
Рассчитать и построить распределение примесей
Рассчитать положение уровня Ферми
Рассчитать и построить энергетические диаграммы структуры при
U=0, U>0, U<0
Рассчитать ширину области пространственного заряда (ОПЗ)
Рассчитать и построить зависимость ширины ОПЗ от приложенного напряжения
Рассчитать и построить вольт-амперную характеристику (ВАХ) структуры при нескольких температурах
Рассчитать и построить распределение электрического поля, изменение потенциала с расстоянием, распределением пространственного заряда
Рассчитать и построить барьерную емкость как функцию от приложенного напряжения
Описать инжекционную способность полученного перехода
Выбрать соответствующий материал для создания омического контакта к полученной структуре
Рассчитать напряжение пробоя
Рассчитать диффузионную емкость
Введение:
Полупроводниковые диоды – это устройства, которые нашли широкое применение в современной электронике. Они являются одними из основных компонентов, входящих практически во все полупроводниковые устройства. Выпрямительные устройства на базе кремниевых диодов характеризуются исключительно высоким коэффициентом полезного действия, малыми габаритами и весом, простотой и удобством в эксплуатации. Целью данного проекта является по заданным электрическим параметрам прибора рассчитать основные физико-геометрические параметры структуры полупроводникового элемента.
Цель работы: исследование контакта двух полупроводников и расчет физических параметров диодной структуры.
Задание:
1. Получить плавный p-n переход методом диффузии
2. Рассчитать технологические параметры диффузии
3. Рассчитать и построить распределение примесей
4. Рассчитать положение уровня Ферми
5. Рассчитать и построить энергетические диаграммы структуры при
U=0, U>0, U<0
6. Рассчитать ширину области пространственного заряда (ОПЗ)
7. Рассчитать и построить зависимость ширины ОПЗ от приложенного напряжения
8. Рассчитать и построить вольт-амперную характеристику (ВАХ) структуры при нескольких температурах
9. Рассчитать и построить распределение электрического поля, изменение потенциала с расстоянием, распределением пространственного заряда
10. Рассчитать и построить барьерную емкость как функцию от приложенного напряжения
11. Описать инжекционную способность полученного перехода
12. Выбрать соответствующий материал для создания омического контакта к полученной структуре
13. Рассчитать напряжение пробоя
14. Рассчитать диффузионную емкость
Данные:
материал базы - Si “n” типа
Получение плавного p-n перехода методом диффузии
Плавный p-n переход можно получить путем проведения глубокой диффузии примеси. Одной из основных характеристик плавного p-n перехода является градиент концентрации примеси в области перехода. При получении p-n переходов методом диффузии изменение концентрации примеси вдоль направления диффузии описывается плавной кривой с переменным градиентом концентрации примеси. Диффузию проводят в сравнительно ограниченном диапазоне температур. Для кремния этот диапазон 1100-1300°С. В зависимости от способа введения в полупроводники диффузанта различают диффузию из газовой фазы, из жидкой фазы и из твердой фазы. Мы рассматриваем диффузию из газовой фазы в случае проведения диффузии из неисчерпаемого источника примеси. Для создания р-области в качестве диффузанта используем соль Al2(NO3)3. Диффузию алюминием проводим одновременно с диффузией бора. Диффузия бором дает нам р+ область.
Наиболее эффективный способ получения омического контакта – создание непосредственно контакта слоем полупроводника, обладающим проводимостью много большей чем в глубине полупроводника. Для этого при диффузии мы создали слой n+ и р+.
При контакте Ме-n+ также образуется неинжектирующий контакт. Кроме того, эти контакты не являются выпрямляющими, так как слой n+ сильно легирован и как следствие ширина ОПЗ мала. Сопротивление этих контактов мало по сравнению с рабочим сопротивлением n области. [2].
Расчет технологических параметров диффузии
Проводим реакции при температуре 1200°С. При этой температуре коэффициент диффузии D(T)Al=10-11 cm2/c. [3].
Используя универсальную формулу напряжения пробоя плавного перехода, справедливую для всех изученных полупроводников найдем градиент концентрации примеси. [6].
В кремниевых p-n переходах напряжение пробоя (Uпр) можно найти, зная обратное напряжение (Uобр): [4]
Из полученных данных:
При напряжении пробоя в ОПЗ достигается максимальное значение напряженности электрического поля Емах, равное критической напряженности Екр, при которой развивается лавинное умножение носителей заряда. Екр=2*105 В/см . [4].
Найдем концентрацию примеси в базе. Выразим ее из уравнения:
Решив это уравнение, относительно Nб получим:
Найдем удельное сопротивление базы:
Пренебрегая дырочной составляющей, так как она много меньше электронной, получим:
При известных значениях температуры проведения процесса диффузии, степени легирования полупроводника и градиента концентрации атомов примеси в p-n переходе, можно определить время проведения процесса диффузии. [4].
при градиенте концентрации:
Такое время диффузии нас не устраивает, поэтому мы выбираем новый градиент концентрации примеси, при котором время диффузии было в пределах от 6 до 10 часов. [2].
Для этого решаем обратную задачу: задаемся временем диффузии и ищем градиент концентрации примеси.
Время диффузии: ТAl=8 часов
Найдем глубину залегания p-n перехода для этого нужно знать предельную растворимость примеси в твердом кремнии. Для Al:
Рассчитываем диффузию фосфора при Т=1100°С. .Диффузию фосфором проводим для создания слоя n+. D(T)p=4*10-13 cm2/c. [3].Задаемся временем диффузии Т=6 часов, тогда глубина залегания слоя будет:
Расчет и построение распределения примесей
При диффузии из поверхностного источника бесконечной мощности, обеспечивающего постоянство поверхностной концентрации Ns, начальное и граничные условия для решения уравнения диффузии:
имеют вид: Nx,t=0 при t=0;N0,t=Ns при t>0 и x=0.
При этих условиях распределение концентрации примеси по глубине диффузионного слоя в момент времени t описывается выражением:
Предельные растворимости примесей в твердом кремнии[3] :
Ns_Al=2*1019 см-3 Ns_B=5*1020 см-3 Ns_P=1021 см-3
Коэффициенты диффузии:
D(T)p=4*10-13 см2/c D(T)Al=10-11 см2/c D(T)В=10-12 см2/c.
Распределение примесей в p области:
Распределение примеси в N области:
Итоговое распределение примесей при толщине базы =200мкм:
Расчет положения уровня Ферми.
(энергетическая диаграмма структуры при U=0)
В состоянии термодинамического равновесия энергия уровня Ферми постоянна в любой точке кристалла. В приконтактной области концентрации дырок и электронов меняются, меняется потенциал, что обусловливает изгиб энергетических зон.[6] Для определения положения уровня Ферми в полупроводнике используется условие электронейтральности, по которому в любой точке кристалла суммарный заряд всех заряженных частиц должен быть равен нулю. Сначала рассмотрим p-n переход, а потом n-n+.
Для p-n перехода:
Для n-n+ :
Энергетическая диаграмма структуры показана на рис.1.
Расчет и построение энергетических диаграмм структуры при U=0,U>0,U<0.
При приложении к p-n переходу внешнего напряжения практически все оно падает на ОПЗ, так как ОПЗ обеднена носителями заряда и имеет высокое по сравнению с другими областями электрическое сопротивление. Если полярность напряжения такова, что создаваемое им электрическое поле совпадает по направлению с внутренним электрическим полем контактной разности потенциалов, то высота потенциального барьера повысится и разность потенциалов будет равняться сумме контактной разности потенциалов и обратного напряжения. Этому случаю соответствует такая полярность внешнего напряжения, при которой положительный полюс источника напряжения подключен к n-области, а минус – к p-области. Такое включение p-n перехода в электрическую цепь называют обратным. При прямом направлении к p-области прикладывается положительный потенциал, а к n-области – отрицательный. Поэтому высота потенциального барьера понижается и становится примерно равной разности контактной разности потенциалов и прямого напряжения.
Энергетическая диаграмма структуры показана на рис.2. и на рис.3.
Расчет ширины области пространственного заряда (ОПЗ).
Выражение для ширины ОПЗ справедливо до тех пор, пока при U>0 имеется потенциальный барьер на переходе при φк=Uпр потенциальный барьер, и запорный слой исчезают и p-n переход ведет себя как обычное омическое сопротивление. Однако в действительности этого достичь невозможно. Прежде чем исчезнет потенциальный барьер, существенную роль начнет играть омическое сопротивление базы, которым мы сейчас пренебрегаем. В этом случае произойдет перераспределение напряжения, и значительная его часть будет падать на омическом контакте, а меньшая часть на переходе. [4]
При имеющемся распределении концентраций в точке Х для Al, плавный переход становится резким. Поэтому рассчитываем ширину ОПЗ для плавного и для резкого перехода.
Для плавного перехода[4]:
Рассчитываем dn и dp (некоторые искусственно введенные границы ОПЗ, для которой предполагается, что она полностью обеднена электронами и дырками). По определению dn+dp=d.