Расчет параметров ступенчатого p-n перехода


	Загрузить архив:
	Файл: 015-0042.zip (841kb [zip], Скачиваний: 67) скачать

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 j_k в p-n-переходе.

Исходные данные для расчета приведены в таблице №1.

Таблица 1. Исходные данные.

Наименование параметра	Единицы измерения.	Условное обозначение	Значение в единицах системы СИ
Абсолютная величина результирующей примеси в эмиттере	м^-3	N_Э	1,5²⁵
Абсолютная величина результирующей примеси в базе	м^-3	N_Б	1,8²²
Диэлектрическая постоянная воздуха	Ф/м	e₀	8,85^-12
Заряд электрона	Кл	e	1,6^-19
Относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника	Ф/м	e	16
Постоянная Больцмана	Дж/К	k	1,38^-23
Равновесная концентрация дырок в n-области	м^-3	p_n₀	10¹⁰
Равновесная концентрация дырок в p-области	м^-3	n_p₀	1,1⁹
Собственная концентрация носителей заряда	м^-3	n_i	5¹⁴
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 j_k в p-n-переходе31.

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 (N_d), и акцепторных (N_a) примесных атомов происходит на расстоянии, сравнимом с шириной обеднённого слоя или превышающем её. В резких p-n-переходах изменение концентрации примесных атомов от N_d до N_a 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 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 + N_a = p + N_d, (1.1.1)

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

N_a, N_d – концентрация ионов акцепторной и донорной примесей.

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)τ_ε(τ_ε≈10^-12 с), за исключением участков малой протяжённости:

где τ_ε – время диэлектрической релаксации; ε₀ – диэлектрическая постоянная воздуха; ε – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; q – заряд носителя заряда (электрона); n₀, p₀ – равновесные концентрации электронов и дырок в полупроводнике; μ_n, μ_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: Глубина проникновения электрического поля в полупроводник, L_d, называется дебаевской длиной и определяется из уравнения:

где - температурный потенциал.

При этом электрическая нейтральность существенно нарушается, если на дебаевской длине изменение результирующей концентрации примеси велико.

Таким образом нейтральность нарушается при условии:

(1.1.2)

В состоянии термодинамического равновесия при отсутствии вырождения[5] справедлив закон действующих масс:

(1.1.3)

При условии (1.1.3) правая часть (1.1.2) достигает минимума при поэтому условие существования перехода (условие существенного нарушения нейтральности) имеет вид:

(1.1.4)

где

Переходы, в которых изменение концентрации примеси на границе слоев p- и n-типа могут считаться скачкообразными 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 L_d.

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 (p_p ≈ n_n). В несимметричных p-n-переходах имеет место различная концентрация основных носителей в слоях (p_p >> n_n или n_n >> p_p), различающаяся в 100–1000 раз [3].

[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: gradn = ∆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.