Курсач_2003 (Подборка образцов)

Московский Энергетический Институт

(Технический Университет)

Курсовая работа по «физике п/п приборов и

интегральных микросхем».

Тема: «Расчет диода».

Выполнил: ст. гр. ЭЛ-15-04

Гончаров Е.О.

Проверил: преподаватель

Филиков В.А.

г. Москва, 2008г.

ОГЛАВЛЕНИЕ.

Введение…………………………………………………………………………………………..3

Технологические параметры диффузии………………………………………………………...5

Расчет ширины ОПЗ и его зависимость от напряжения……………………………………….8

Расчет энергетических диаграмм………………………………………………………………..9

Распределение электрического поля, изменение потенциала с расстоянием, распределение пространственного заряда………………………………………………………………………11

Расчет и построение ВАХ при нескольких температурах……………………………………12

Расчет барьерной емкости………………………………………………………………………14

Расчет диффузионной емкости…………………………………………………………………15

Описание инжекционной способности перехода……………………………………………..16

Приложение к курсовому проекту……………………………………………………………..17

Литература……………………………………………………………………………………….30

Введение

Полупроводниковые приборы продолжают завоевывать все новые позиции в электронике и электротехнике. В основе изучения большинства полупроводниковых приборов остается плоскостной полупроводниковый диод, как классический образец для анализа и понимания явлений, протекающих в п/п элементах с p-n переходами. Диоды входят практически во все п/п устройства. Наибольшее распространение получили кремниевые диоды, особенно в преобразовательной технике. Выпрямительные устройства на базе, например, кремниевых диодов характеризуются высоким коэффициентом полезного действия, малыми габаритами, малым весом, простотой эксплуатации.

Существует несколько способов получения p-n перехода: сплавной переход, диффузионный, диффузионный планарный на эпитаксиальной подложке, ионно-имплантированный. Применение метода высокотемпературной диффузии позволяет более точно управлять распределением примеси, получать p-n переход на заданной глубине, возможность получить на п/п материале с исходной концентрацией Nисх различные напряжения пробоя. Легирующие элементы должны иметь достаточно высокую скорость диффузии и хорошую растворимость в п/п при температуре диффузии.

При производстве диода на кремнии n-типа при формировании структуры p+-n-n+ в качестве диффундирующих атомов примесей используют атомарные бор, алюминий и фосфор. В качестве исходного диффузанта используют спиртовой раствор Al₂(NO₃)₂ совместно с B₂O₃, нанесенный на механически шлифованную поверхность кремния. Диффузия фосфора проводится из химически высаженного на кремнии никеля. Метод такого формирования p+-n перехода позволяет: регулировать напряжение пробоя за счет за счет изменения градиента концентрации примеси в p+-n переходе, который обусловлен диффузией атомов алюминия, обеспечивать малые падения напряжения на невыпрямляющих контактах «Ме-п/п»за счет большой поверхностной концентрации атомов бора.

Исходные данные:

Uпроб = 1000 В

Тпред = 120 ˚С

I_обр < 20 мА

I_пр = 1 мА

Si, n-тип.

Вспомогательные величины:

см²/В*с

см²/В*с

Ф/см

Дж/град

см^-3

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ДИФФУЗИИ

Рассчитаем градиент концентрации по следующей формуле:

тогда

Оценим необходимое удельное сопротивление кремния: Uпроб = 86ρ^0,65 . Тогда Ом*см.

Исходя из этого выбираем марку кремния КЭФ 45 группа 2В.

Рассчитаем концентрацию носителей заряда и критическую напряженность электрического поля при данной концентрации:

см^-3

из уравнения

Nисх = C_0*Eкр²_*exp(-b₀/Eкр)

при известных C₀ = 3,15_*10⁷ [1/(В²_*см)]

b₀ = 1,74_*10⁶ [В/см]

найдем

Будем проводить диффузию всех примесей при T=1200 ˚C:

ниже приведены значения для коэффициентов диффузии бора, фосфора и алюминия, а также их поверхностные концентрации при выбранной температуре диффузии:

рассчитаем время диффузии алюминия:

диффузию бора тогда будем также проводить 1,2 часа. Глубина залегания примесей алюминия и бора равна:

см = 14,5076 мкм.

см = 5,15852 мкм.

для диффузии фосфора пусть глубина залегания будет 10 мкм. Тогда:

часов.

Распределения атомов алюминия , бора и фосфора подчиняются закону Гаусса:

Рассчитаем толщину n – области:

^см

тогда толщина всей структуры ^{см =} 136,25 мкм.

Итоговое распределение примесей в структуре см. в приложении рис.1.

Расчет ширины ОПЗ и его зависимость от напряжения

Рассматриваем плавный переход. Используя приближение, что Na(x)=Na_s получим выражение для ϕk:

тогда

см.

Ниже представлен график зависимости ширины ОПЗ от приложенного обратного напряжения.

Расчет энергетических диаграмм

1. При нулевом смещении.

а) расчет для p – области.

см.

На первом участке, когда концентрация бора превышает концентрацию алюминия, производим расчеты по формуле:

а на втором участке:

Некоторые результаты представим в виде таблицы:

б) расчет для n+ - области (легированной фосфором).

1. При положительном смещении.

^В.

^см.

1. При отрицательном смещении.

^В.

^см.

Энергетические диаграммы представлены в приложении на рис.2 – рис. 4.

Распределение электрического поля, изменение потенциала с расстоянием, распределение пространственного заряда.

из соотношения Na/Nd = dn/dp :

см.

Таким образом видно, что фактически вся ширина ОПЗ является dn. и тогда построения можно провести только для 0<x<dn.

Все соответствующие графики приведены в приложении на рис.5 – рис.7.

Здесь же для наглядности приведем уменьшенные копии этих графиков:

Расчет и построение ВАХ при нескольких температурах

1. Расчет обратной ветви.

с учетом выше указанного, что ширина ОПЗ фактически равна dn, преобразуем следующую формулу для расчета обратного тока, а именно: вместо dn поставим в нее значение для ширины ОПЗ:

Приведем здесь для наглядности уменьшенную копию этого графика (построения при температурах 233 К, 273 К и 313 К):

1. Расчет прямой ветви.

Зададим, что площадь p-n перехода Apn равна 0,01 см². Затем приведем необходимые формулы для расчета:

Тогда подставив все вышеперечисленные формулы в уравнение для Io, узнаем этот ток. А зная, его, можем рассчитать ток прямой ветви ВАХ:

уравнение для прямой ветви ВАХ:

Так как уравнение для расчета выглядит как U=f(I), легче будет построить график именно в таких координатах. Приведем его уменьшенную копию здесь для наглядности:

Соответствующие расчетам графики представлены в приложении на рис.8 и рис.9.

Расчет барьерной емкости

См. рис.10 в приложении.