Расчет параметров ступенчатого p-n перехода (zip 860 kb)

Расчет параметров ступенчатого p-n перехода (zip 860 kb)

Министерство образования Российской Федерации

Орловский Государственный Технический Университет

Кафедра физики

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Расчет параметров ступенчатого

p-n перехода»

Дисциплина: «Физические основы микроэлектроники»

Выполнил студент группы 3–4

Сенаторов Д.Г.

Руководитель:

Оценка:

Орел. 2000

Орловский Государственный Технический Университет

КАФЕДРА: «ФИЗИКА»

ЗАДАНИЕ НА курсовую работу

Студент: Сенаторов Д.Г. группа 3–4

Тема: «Расчет параметров ступенчатого p-n перехода»

Задание: Рассчитать контактную разность потенциалов (k в p-n-переходе.

Исходные данные для расчета приведены в таблице №1.

Таблица 1. Исходные данные.

|Наименование параметра |Единицы |Условное |Значение в |

| |измерения. |обозначени|единицах |

| | |е |системы СИ |

|Абсолютная величина |м-3 |NЭ |1,5[pic]1025 |

|результирующей примеси в | | | |

|эмиттере | | | |

|Абсолютная величина |м-3 |NБ |1,8[pic]1022 |

|результирующей примеси в | | | |

|базе | | | |

|Диэлектрическая постоянная |Ф/м |(0 |8,85[pic]10-12 |

|воздуха | | | |

|Заряд электрона |Кл |e |1,6[pic]10-19 |

|Относительная |Ф/м |( |16 |

|диэлектрическая | | | |

|проницаемость полупроводника| | | |

|Постоянная Больцмана |Дж/К |k |1,38[pic]10-23 |

|Равновесная концентрация |м-3 |pn0 |1010 |

|дырок в n-области | | | |

|Равновесная концентрация |м-3 |np0 |1,1[pic]109 |

|дырок в p-области | | | |

|Собственная концентрация |м-3 |ni |5[pic]1014 |

|носителей заряда | | | |

|Температура окружающей среды|K |T |290 |

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ 4.

ЧАСТЬ I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 6.

1.1 Понятие о p-n переходе 6.

1.2 Структура p-n перехода 10.

1.3 Методы создания p-n переходов 15.

1.3.1 Точечные переходы 15.

1.3.2 Сплавные переходы 16.

1.3.3 Диффузионные переходы 17.

1.3.4 Эпитаксиальные переходы 18.

1.4 Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесном

состоянии 20.

1.5 Токи через p-n переход в равновесном состоянии 23.

1.6 Методика расчета параметров p-n перехода 26.

1.7 Расчет параметров ступенчатого p-n перехода 29.

ЧАСТЬ II. Расчет контактной разности потенциалов (k в p-n-переходе 31.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32.

ПРИЛОЖЕНИЕ 33.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 35.

ВВЕДЕНИЕ.

Полупроводники могут находиться в контакте с металлами и некоторыми

другими материалами. Наибольший интерес представляет контакт полупроводника

с полупроводником. Этот интерес вызван следующими двумя обстоятельствами. В

случае контакта метал–полупроводник выпрямляющими свойствами контакта можно

управлять с помощью только одной из половин контакта, а именно, со стороны

полупроводника. Это видно хотя бы из того факта, что весь запирающий (или

антизапирающий[1]) слой лежит в полупроводниковой области и его толщину, а

значит, и ток можно регулировать концентрацией носителей n0, т.е. выбором

типа кристалла, легированием полупроводника, температурой, освещением и

т.д. Второе обстоятельство заключается в том, что практически поверхности

металла и полупроводника никогда не образуют идеального контакта друг с

другом. Всегда между ними находятся адсорбированные атомы или ионы

посторонних веществ. Адсорбированные слои экранируют внутреннюю часть

полупроводника так, что фактически они определяют свойства выпрямляющих

контактов или, во всяком случае, существенно влияют на них.

В случае контакта полупроводник–полупроводник, оба недостатка

отсутствуют т.к. в большинстве случаев контакт осуществляют в пределах

одного монокристалла, в котором половина легирована донорной примесью,

другая половина – акцепторной. Существуют и другие технологические методы

создания электронно-дырочного перехода, которые будут рассмотрены в данной

курсовой работе. Кроме того, целью предпринимаемого исследования является

определение основных параметров и характеристик, а также физических

процессов, лежащих в основе образования и функционирования p-n-перехода для

ответа на основной вопрос данной работы: «Какова ширина p-n-перехода?» при

заданных исходных параметрах.

В третьей части данной работы будет предпринята попытка объяснить

особенности поведения электрона с учетом спина во внешнем электрическом

поле, введено понятие тонкой структуры.

ЧАСТЬ I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

1.1 Понятие о p-n переходе.

Основным элементом большой группы полупроводниковых приборов является

электронно-дырочный переход. Такой переход представляет собой область между

двумя полупроводниками разного типа проводимости, объединенную основными

носителями заряда. В зависимости от характера распределения концентрации

примеси в объединенном p-n слое переходы бывают ступенчатыми (резкими) и

плавными.

В плавных p-n-переходах изменение концентрации донорных (Nd), и

акцепторных (Na) примесных атомов происходит на расстоянии, сравнимом с

шириной обеднённого слоя или превышающем её. В резких p-n-переходах

изменение концентрации примесных атомов от Nd до Na происходит на

расстоянии, меньшем ширины обеднённого слоя [8]. Резкость границы играет

существенную роль, т.к. в плавном p-n-переходе трудно получить те

вентильные свойства, которые необходимы для работы диодов и транзисторов

[4].

На рис. 1.1 представлено распределение зарядов в полупроводниках при

плавном и резком изменении типа проводимости.

При плавном изменении типа проводимости (рис. 1.1.а) градиент

концентрации[2] результирующей примеси [pic] мал, соответственно малы и

диффузионные токи[3] электронов и дырок.

Эти токи компенсируются дрейфовыми токами[4], которые вызваны

электрическим полем связанным с нарушением условия электрической

нейтральности:

n + Na = p + Nd, (1.1.1)

где n и p – концентрация электронов и дырок в полупроводнике:

Na, Nd – концентрация ионов акцепторной и донорной примесей.

[pic]

Рисунок 1.1 Распределение примеси и носителей заряда в полупроводнике при

изменении типа проводимости: (а) плавное изменение типа проводимости; (б)

резкое изменение типа проводимости.

Для компенсации диффузионных токов достаточно незначительного

нарушения нейтральности, и условие (1.1.1) можно считать приближенно

выполненным.

Условие электронейтральности свидетельствует о том, что в однородном

полупроводнике независимо от характера и скорости образования носителей

заряда в условиях как равновесной, так и не равновесной концентрации не

могут иметь место существенные объемные заряды в течении времени, большего

(3-5)?? (???10-12 с), за исключением участков малой протяжённости:

[pic]

где ?? – время диэлектрической релаксации; ?0 – диэлектрическая постоянная

воздуха; ? – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; q

– заряд носителя заряда (электрона); n0, p0 – равновесные концентрации

электронов и дырок в полупроводнике; ?n, ?p – подвижность электронов и

дырок в полупроводнике.

При резком изменении типа проводимости (рис. 1.1.б) диффузионные токи

велики, и для их компенсации необходимо существенное нарушение

электронейтральности (1.1.1).

Изменение потенциала по глубине x полупроводника происходит по

экспоненциальному закону: [pic]. Глубина проникновения электрического поля

в полупроводник, Ld, называется дебаевской длиной и определяется из

уравнения:

[pic],

где [pic] - температурный потенциал.

При этом электрическая нейтральность существенно нарушается, если на

дебаевской длине изменение результирующей концентрации примеси велико.

Таким образом нейтральность нарушается при условии:

[pic] (1.1.2)

В состоянии термодинамического равновесия при отсутствии вырождения[5]

справедлив закон действующих масс:

[pic] (1.1.3)

При условии (1.1.3) правая часть (1.1.2) достигает минимума при [pic]

поэтому условие существования перехода (условие существенного нарушения

нейтральности) имеет вид:

[pic], (1.1.4)

где [pic]–дебаевская длина в собственном полупроводнике.

Переходы, в которых изменение концентрации примеси на границе слоев p-

и n-типа могут считаться скачкообразными [pic] называются ступенчатыми.

В плавных переходах градиент концентрации примеси конечен, но

удовлетворяет неравенству(1.1.4).

Практически ступенчатыми могут считаться p-n-переходы, в которых

изменение концентрации примеси существенно меняется на отрезке меньшем Ld.

Такие переходы могут быть полученными путем сплавления, эпитаксии.

По отношению к концентрации основных носителей в слоях p- и n-типа

переходы делятся на симметричные и несимметричные.

Симметричные переходы имеют одинаковую концентрацию основных

носителей в слоях (pp ? nn). В несимметричных p-n-переходах имеет место

различная концентрация основных носителей в слоях (pp >> nn или nn >> pp),

различающаяся в 100–1000 раз [3].

1.2 Структура p-n-перехода.

Наиболее просто поддаются анализу ступенчатые переходы. Структура

ступенчатого перехода представлена на рис. 1.2. Практически все

концентрации примесей в p- и n-областях превышают собственную концентрацию

носителей заряда ni. Для определения будем полагать, что эмиттером является

p–область, а базой n–область. В большинстве практических случаев

выполняется неравенство

[pic]

где [pic] и [pic]-результирующие концентрации примеси в эмиттере и базе.

Рисунок 1.2 соответствует кремниевому переходу (ni ? 1010 см-3 ) при

комнатной температуре (Т=290К) с концентрацией примеси [pic],[pic].

Рисунок 1.2 Распределение примеси и носителей заряда в ступенчатом P-N

переходе: (а)- полулогарифмический масштаб; (б)- линейный масштаб.

В глубине эмиттера и базы концентрация основных носителей заряда

практически совпадает с результирующей концентрацией примеси:

pро =Nэ, nnо=NБ, (1.2.1)

а концентрация не основных носителей определяется законом действующих масс:

nр0=ni/pр0=ni/Nэ (1.2.2.а)

pn0=ni/nn0=ni/NБ (1.2.2.б)

Индексы «p» и «n» соответствуют p- и n-областям, а индекс «0»

соответствует состоянию термодинамического равновесия. Следует отметить,

что концентрация не основных носителей в базе больше чем в эмиттере (а при

Nэ>>NБ много больше). На рис. 1.2.а распределение примесей и носителей

заряда представлено в полулогарифмическом масштабе.

Переход занимает область –lр0 < x < ln0. Конечно границы перехода x=-

lp0 и x=ln0 определены в некоторой степени условно, так как концентрация

основных носителей изменяется плавно. Тем не менее, из рисунка видно, что

уже на небольшом расстоянии от границ внутри перехода выполняется

равенство:

Pln0)

поле равно нулю, и уровни Ес (энергия, соответствующая дну зоны

проводимости), Еv (энергия, соответствующая потолку валентной зоны), Fi

(электрическая энергия); располагаются горизонтально. В области p-n-

перехода (-lp0>NБ практически весь переход

сосредоточен в области базы (1р0>NБ параметры перехода определяются практически

только свойством базы:

[pic] (1.7.3)

[pic]

ЧАСТЬ II. Расчет контактной разности потенциалов (k в p-n-переходе.

[pic] – контактная разность потенциалов, где:

[pic] – температурный потенциал,

[pic] – потенциал эмиттерной области,

[pic] – потенциал области базы, таким образом:

[pic]

[pic]

[pic]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в ходе проведения курсового исследования было

установлено, что наиболее широко распространены следующие типы p-n-

переходов: точечные, сплавные, диффузионные и эпитаксиальные, рассмотрены

особенности технологических процессов изготовления этих переходов. Опираясь

на исходные данные, была рассчитана контактная разница потенциалов, которая

составила 0,113 (В). В третьей главе курсового проекта был рассмотрен

эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном

режиме. Были приведены различные типы работы диода: доменный режим, режимы

ОНОЗ. Приведены конструкции генераторов, а так же усилителя на диоде Ганна,

приведены расчеты, описаны принципы работы.

Приложение.

Обозначения основных величин, принятые в работе.

Ec - энергия соответствующая дну запрещённой зоны

EF - фермиевская энергия

Ek - энергетическая ступень, образующаяся в p–n-переходе

Emax - максимальная напряжённость электрического поля

Ev - энергия соответствующая потолку валентной зоны

Fi - электрическая энергия

Fip (Fin) - электростатическая энергия в p (n)-области

j - плотность тока

jg0 - плотность тока термогенерации носителей заряда

jngp0 (jpgp0) - плотность дрейфового тока, текущего через p-n-переход из

n-области (p-области) в p-область (n-область)

jngup0 (jpgup0) - плотность диффузионного тока, текущего через p-n-переход

из n-области (p-области) в p-область (n-область)

jz0 - плотность тока рекомбинации носителей заряда

l0 - ширина р-n перехода.

ln0 (lp0) - ширина n (p) -области p-n-перехода

Ls - дебаевская длина

N - результирующая концентрация примеси

n (p) - концентрация электронов (дырок) в полупроводнике

n0 (p0) - равновесная концентрация электронов (дырок) в

полупроводнике

Na (Nd) - концентрация акцепторной (донорной) примеси.

ni - собственная концентрация носителей заряда

nn (np ) - концентрация электронов в n (р) области

nno (npo) - равновесная концентрация электронов в n (р) области

NЭ (NБ) - абсолютная величина результирующей примеси в эмиттере

(базе)

P(x) - распределение плотности объёмного заряда

pp (pn) - концентрация дырок в р (n) области

ppo (pno) - равновесная концентрация дырок в р (n) области

pЭ (pБ) - плотность объёмного заряда

q, e - заряд электрона

T - температура окружающей среды

Vk - энергия контактного поля

? - напряженность электрического поля

? - относительная диэлектрическая проницаемость

полупроводника

?0 - диэлектрическая постоянная воздуха

?n (?p) - подвижность электронов (дырок)

?? - время диэлектрической релаксации

? - электрический потенциал

?k - контактная разность потенциалов

?T - температурный потенциал

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Анималу А. Квантовая теория кристаллических твердых тел. –М.: Мир, 1981;

2. Блейкмор Дж. Физика твердого тела. –М.: Мир, 1988;

3. Гранитов Г.И. Физика полупроводников и полупроводниковые приборы. –М.:

Сов. радио, 1977;

4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное издание. –М.: Высшая школа,

1991;

5. Давыдов А.С. Квантовая механика. –М.: Физматгиз, 1963;

6. Савельев И.В. Курс общей физики. В 3 т. –М.: Наука, 1979. Т.3;

7. Фистуль В.И, Введение в физику полупроводников. –М.: Высшая школа, 1984;

8. Электроника. Энциклопедический словарь. –М.: Советская энциклопедия,

1991.

9. Березин и др. Электронные приборы СВЧ. –М. Высшая школа 1985.

-----------------------

[1] Антизапирающим называют приконтактный слой, обогащённый свободными

носителями заряда.

[2] Отношение изменения концентрации носителей заряда к расстоянию на

котором это изменение происходит называется градиентом концентрации: grad n

= ?n/?x = dn/dx

[3] Диффузионным током называют ток, вызванный тепловым движением

электронов.

[4] Ток, созданный зарядами, движущимися в полупроводнике из-за наличия

электрического поля и градиента потенциала называется дрейфовым током.

[5] Отсутствие вырождения характеризует существенная концентрация носителей

заряда собственной электропроводности.

-----------------------

[pic]

[pic]

[pic]